도플러 효과 실험

프로그램

프로그램은 파원과 관측자를 각각 800 m/s 까지의 속도로 운동하게 하여 파원이 내는 일정한 진동수의 사인파를 관측자에게 들려준다. 파원이 내는 소리의 진동수는 261.63 Hz 로 고정되어 있어 서로 움직이지 않을 때에는 표준 도(C)음으로 들리게 되나 파원이나 관측자가 움직이게 되면 상황에 따라 이 음보다 높은 음으로나 낮은 음으로 변하여 들리게 된다.

본 프로그램에서는 도플러 효과를 크게 느끼게 하기 위하여 파원으로보터 거리가 멀어짐에 따라 거리에 반비례하여 진폭이 줄어드는 효과를 반영하지 않았다.

파원(source)과 관측자(receiver)는 평행선을 따라 등속운동은 한다. 파원과 관측자의 속도와 평행선 사이의 거리를 '슬라이더'를 이용하여 조절할 수 있고, 파원이 내는 소리는 표준 도음인 261.63Hz의 사인파를 발생하고 있다. '출발'을 누르면 각각 설정된 속도로 운동을 하게 되며 이때 관측자를 통해 들리는 소리는 컴퓨터의 스피커를 통해 들을 수 있다. 그리고 '사용자 설정'의 콤보박스를 이용하여 미리 설정된 상황으로 맞출 수 있다.

화면에 100 m 간격으로 격자선을 그어서 실제의 거리를 가늠해 볼 수 있고, 음속(c)은 340 m/s로 하여 아래의 조절창에서는 v로 나타내었다. 한편 음파의 파장은 약 1.3 m인데 한 파장간격으로 하나의 파면을 그려서 나타내어야 하나 너무 촘촘하게 되어 정지시에는 10개당 하나로, 운동 중에는 50 개당 하나로 대표시켜 나타내었다. 파원이 촘촘해지는 상황에서는 그림을 다시 그려주는 속도가 늦어 소리는 정상대로 들리지만 파면이나 파원, 관측자의 움직임은 굼뜨게 나타나는 경우가 있다.

컴퓨터는 소리를 적당한 크기로 낼 수 있게 조정하여야 하며 좌우 스피커에 의한 간섭의 영향을 배제 하려면 두 스피커를 가까이 두거나 한 스피커에서만 소리를 들리게 하는 것이 좋다.

실험방법

1. 파원과 관찰자의 속력을 유지한 채로 둘 사이의 수직 거리를 0 으로 부터 300 m 까지 변경시켜서 도플러효과의 경향이 어떻게 달라지는지 관찰하자.

2. 파원과 관찰자의 수직거리를 0으로 두고, 동일한 속력으로 파원이 움직일 때와 관측자가 움직일 때의 차이를 조사해 보자.

3. 파원의 속력을 음속(c), 즉 340 m/s 로 두었을 때 들리는 충격파의 소리를 들어보고 이의 특성이 무엇인지 생각해 보자.

4. 어떤 조건에서 음파의 파형이 거꾸로 들리는 경우가 있을까? 이런 조건을 만들어서 소리를 들어 보자. 만일에 파원이 내는 소리가 사람의 음성이면 이것이 거꾸로 들리는 경우에 어떤 소리로 들릴까?

5. 초음속의 조건 ( ), 즉 일종의 체렌코프 복사와 같은 상황에서 관측자에게 소리가 단일 사인파가 아닌듯이 들리는 이유는 무엇일까?

6. 파원은 일정한 속도로 움직이면서 이전에 계속해서 소리를 내고 있었고 이것이 관찰자에게 들리게 된다. 그러나 적당한 조건에서 관찰자에게는 소리가 들리지 않는 상황이 있는데 이러한 조건이 어떤 경우인지 알아보고 그 이유를 설명해 보자.

7. 소리가 관찰자에게 미치기는 하지만 전혀 들리지 않는 상황도 있을 수 있다. 어떤 경우인가?