Doppler-Effekt

Durch den Doppler-Effekt (selten auch Doppler-Fizeau-Effekt) wird ein Signal zeitlich gestaucht oder gedehnt, wenn sich der räumliche Abstand zwischen Sender und Empfänger verändert, während das Signal gesendet wird. Der Effekt wird dadurch verursacht, dass die später gesendeten Teile des Signals eine kürzere oder längere Strecke vom Sender zum Empfänger zu laufen haben als die früheren. Nähern sich Sender und Empfänger, dann wird das Signal gestaucht, entfernen sie sich voneinander, wird es gedehnt. Daher ist der Doppler-Effekt rein kinematischer Natur und tritt bei allen möglichen Arten von Signalen in gleicher Weise auf. In der Physik handelt es sich dabei meist um Licht- oder Schallwellen oder die damit übertragenen Signale.

Wenn das Signal periodisch ist und am Sender die Frequenz $f$ hat, dann erhöht bzw. vermindert sich die am Empfänger beobachtete Frequenz um die Doppler-Verschiebung $\Delta f$ . Das betrifft z. B. bei einem vorbeifahrenden Martinshorn die Tonhöhe der beiden Töne („tatü…taataa“), aber auch die Frequenz, mit der sie sich abwechseln. Die relative Frequenzänderung ${\textstyle {\frac {\Delta f}{f}}}$ ist bei geringen Geschwindigkeiten gleich dem Verhältnis der Geschwindigkeit, mit der der Abstand zwischen Sender und Empfänger sich ändert, zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals.

Zu dieser Frequenzverschiebung, die allein durch die Geschwindigkeitskomponente parallel zur Verbindungslinie Sender-Empfänger verursacht wird, tritt eine weitere Verschiebung, die von der relativistischen Zeitdilatation verursacht wird. Diese Verschiebung ist außer in speziellen Versuchsanordnungen meist vernachlässigbar klein. Sie ist unabhängig von der Richtung der Geschwindigkeit, tritt also anders als der nicht-relativistische Doppler-Effekt auch bei Bewegungen senkrecht zur Verbindungslinie Sender-Empfänger auf, z. B. bei einer Kreisbewegung. Daher wird sie auch als transversaler Doppler-Effekt bezeichnet.

↑ Von diesem Effekt ausgenommen wären nur Signale, die sich mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Solche Signale kann es nach der Relativitätstheorie aber nicht geben. Ein Beispiel für ein Signal anderer Art als Licht und Schall, bei dem der Effekt in gleicher Weise eintritt, ist eine Folge von Ansichtspostkarten von einer langen Reise zur Postkutschenzeit. Solange sich der Reisende entfernt, ist der zeitliche Abstand zwischen der Ankunft der einzelnen Postkarten größer als der zeitliche Abstand ihrer Absendung.

↑ Arnold Sommerfeld: Vorlesungen über Theoretische Physik: Optik. Akad. Verlag, Leipzig 1949, ISBN 3-87144-377-8, S. 54.

[1] Von diesem Effekt ausgenommen wären nur Signale, die sich mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Solche Signale kann es nach der Relativitätstheorie aber nicht geben. Ein Beispiel für ein Signal anderer Art als Licht und Schall, bei dem der Effekt in gleicher Weise eintritt, ist eine Folge von Ansichtspostkarten von einer langen Reise zur Postkutschenzeit. Solange sich der Reisende entfernt, ist der zeitliche Abstand zwischen der Ankunft der einzelnen Postkarten größer als der zeitliche Abstand ihrer Absendung.

[2] Arnold Sommerfeld: Vorlesungen über Theoretische Physik: Optik. Akad. Verlag, Leipzig 1949, ISBN 3-87144-377-8, S. 54.