Aufgaben:Aufgabe 1.4Z: Zum Dopplereffekt: Unterschied zwischen den Versionen

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Als „Dopplereffekt” bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, während sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen.
 
Als „Dopplereffekt” bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, während sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen.
  
Wir gehen stets von einem festen Sender aus, während sich der Empfänger in vier verschiedene Richtungen (A), (B), (C) und (D) bewegen kann (siehe Grafik).
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Wir gehen hier stets von einem festen Sender aus, während sich der Empfänger in vier verschiedene Richtungen (A), (B), (C) und (D) bewegen kann (siehe Grafik).
  
 
Untersucht werden sollen verschiedene Geschwindigkeiten:
 
Untersucht werden sollen verschiedene Geschwindigkeiten:
* eine unrealistisch große Geschwindigkeit $\upsilon_1 = 0.6 \cdot c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}$,
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* eine unrealistisch große Geschwindigkeit $v_1 = 0.6 \cdot c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}$,
* die Maximalgeschwindigkeit $\upsilon_2 = 3 \ {\rm km/s} \ (10800 \ {\rm km/h})$ bei unbemanntem Testflug,
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* die Maximalgeschwindigkeit $v_2 = 3 \ {\rm km/s} \ (10800 \ {\rm km/h})$ bei unbemanntem Testflug,
* etwa die Höchstgeschwindigkeit $\upsilon_3 = 30 \ {\rm m/s} = 108 \ \rm km/h$ auf Bundesstraßen.
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* etwa die Höchstgeschwindigkeit $v_3 = 30 \ {\rm m/s} = 108 \ \rm km/h$ auf Bundesstraßen.
  
  
 
Die im Theorieteil angegebenen Gleichungen für die Empfangsfrequenz lauten
 
Die im Theorieteil angegebenen Gleichungen für die Empfangsfrequenz lauten
* unter Berücksichtigung der Relativitätstheorie (kurz als <font color="#cc0000"><span style="font-weight: bold;">&bdquo;relativistisch&rdquo;</span></font> bezeichnet
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* unter Berücksichtigung der Relativitätstheorie (kurz als &bdquo;relativistisch&rdquo; bezeichnet):
 
:$${\rm Gleichung \hspace{0.15cm}(1):}\hspace{0.2cm}f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  \hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm Gleichung \hspace{0.15cm}(1):}\hspace{0.2cm}f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  \hspace{0.05cm},$$
* ohne Berücksichtigung relativistischer Eigenschaften (kurz <font color="#cc0000"><span style="font-weight: bold;">&bdquo;herkömmlich&rdquo;</span></font>):
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* ohne Berücksichtigung relativistischer Eigenschaften (kurz: &bdquo;herkömmlich&rdquo;):
 
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* Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von  [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses|Statistische Bindungen innerhalb des Rayleigh&ndash;Prozesses]].  
 
* Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von  [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses|Statistische Bindungen innerhalb des Rayleigh&ndash;Prozesses]].  
* Zur Überprüfung Ihrer Ergebnisse können Sie das Interaktionsmodul [[WDF, VTF und Momente]] benutzen.
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* $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$ nennt man Lichtgeschwindigkeit.
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* Zur Überprüfung Ihrer Ergebnisse können Sie das Interaktionsmodul [[Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts]] benutzen.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
  
  
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* Die Aufgabe gehört zu Kapitel [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses|Statistische Bindungen innerhalb des Rayleigh&ndash;Prozesses]].
 
* $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$ nennt man Lichtgeschwindigkeit.
 
* Zur Überprüfung Ihrer Ergebnisse können Sie folgendes Interaktionsmodul benutzen: [http://www.lntwww.de/cgi-bin/extern/swf-sitemap.pl?swf_id=232&swf=Dopplereffekt.swf&swf_hoehe=500&swf_breite=620| Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts]
 
  
 
===Fragebogen===
 
===Fragebogen===
 
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{Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Geschwindigkeiten $\upsilon_1$ und $\upsilon_2$ in Fahrtrichtung (A) mit der relativistischen <b>Gleichung (1)</b>?
+
{Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Geschwindigkeiten $v_1$ und $v_2$ in Fahrtrichtung '''(A)''' mit <b>Gleichung (1)</b>?
 
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${\rm Richtung \ (A)}, \upsilon_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { 1 3% } $\ 10^0$
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$v_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $ { 1 3% }  
$\hspace{2.75cm} \upsilon_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { 1 3% } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
+
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{Welche Dopplerfrequenzen erhält man bei sonst gleichen Bedingungen für die entgegengesetzte Fahrtrichtung (B)? <i>Hinweis</i> : <b>Gleichung (1)</b>.
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{Welche Dopplerfrequenzen erhält man bei sonst gleichen Bedingungen für die entgegengesetzte Fahrtrichtung '''(B)''' mit  <b>Gleichung (1)</b>.
 
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${\rm Richtung \ (B)}, \upsilon_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { -0.515--0.485 } $\ 10^0$
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$v_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $ { -0.515--0.485 }  
$\hspace{2.75cm} \upsilon_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { -1.03--0.97 } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
+
$v_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $ { -1.03--0.97 } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
  
{Welche Ergebnisse erhält man bei ansonsten gleichen Bedingungen mit der herkömmlichen <b>Dopplergleichung (2)</b>?
+
{Welche Dopplerfrequenzen erhält man bei ansonsten gleichen Bedingungen mit <b>Gleichung (2)</b>?
 
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${\rm Richtung \ (A)}, \upsilon_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { 0.6 3% } $\ 10^0$
+
${\rm Richtung \ (A)}, v_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $ { 0.6 3% }  
$\hspace{2.75cm} \upsilon_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { 1 3% } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
+
$\hspace{2.75cm} v_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $ { 1 3% } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
${\rm Richtung \ (B)}, \upsilon_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { -0.618--0.582 } $\ 10^0$
+
${\rm Richtung \ (B)}, v_1\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $ { -0.618--0.582 }  
$\hspace{2.75cm} \upsilon_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { -1.03--0.97 } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
+
$\hspace{2.75cm} v_2\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $ { -1.03--0.97 } $\ 10^{\rm &ndash;5}$
  
{Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Richtungen (C) und (D)? <i>Hinweis</i> : <b>Gleichung (2)</b>, Geschwindigkeit $\upsilon_3$, Sendefrequenz $f_{\rm S} = 2 \ \rm GHz$.
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{Es gelte $f_{\rm S} = 2 \ \rm GHz$. Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Fahrtrichtung '''(C)''' und '''(D''' mit <b>Gleichung (2)</b>?
 
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${\rm Richtung \ (C)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { 0 3% } $\ 10^0$
+
${\rm Richtung \ (C)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D} \ = \ $ { 0. } $\ \rm Hz$
${\rm Richtung \ (D)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D}/f_{\rm S}$ = { -145.23--136.77 } $\ 10^0$
+
${\rm Richtung \ (D)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm}  f_{\rm D} \ = \ $ { -145.23--136.77 } $\ \rm Hz$
 
</quiz>
 
</quiz>
  

Version vom 13. November 2017, 08:35 Uhr

Bewegungsrichtungen (A), ...

Als „Dopplereffekt” bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, während sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen.

Wir gehen hier stets von einem festen Sender aus, während sich der Empfänger in vier verschiedene Richtungen (A), (B), (C) und (D) bewegen kann (siehe Grafik).

Untersucht werden sollen verschiedene Geschwindigkeiten:

  • eine unrealistisch große Geschwindigkeit $v_1 = 0.6 \cdot c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}$,
  • die Maximalgeschwindigkeit $v_2 = 3 \ {\rm km/s} \ (10800 \ {\rm km/h})$ bei unbemanntem Testflug,
  • etwa die Höchstgeschwindigkeit $v_3 = 30 \ {\rm m/s} = 108 \ \rm km/h$ auf Bundesstraßen.


Die im Theorieteil angegebenen Gleichungen für die Empfangsfrequenz lauten

  • unter Berücksichtigung der Relativitätstheorie (kurz als „relativistisch” bezeichnet):
$${\rm Gleichung \hspace{0.15cm}(1):}\hspace{0.2cm}f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)} \hspace{0.05cm},$$
  • ohne Berücksichtigung relativistischer Eigenschaften (kurz: „herkömmlich”):
$${\rm Gleichung \hspace{0.15cm}(2):}\hspace{0.2cm}f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \left [ 1 + {v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \right ] \hspace{0.05cm}.$$


Hinweise:


Fragebogen

1

Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Geschwindigkeiten $v_1$ und $v_2$ in Fahrtrichtung (A) mit Gleichung (1)?

$v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $

$v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $

$\ 10^{\rm –5}$

2

Welche Dopplerfrequenzen erhält man bei sonst gleichen Bedingungen für die entgegengesetzte Fahrtrichtung (B) mit Gleichung (1).

$v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $

$v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ $

$\ 10^{\rm –5}$

3

Welche Dopplerfrequenzen erhält man bei ansonsten gleichen Bedingungen mit Gleichung (2)?

${\rm Richtung \ (A)}, v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $

$\hspace{2.75cm} v_2\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $

$\ 10^{\rm –5}$
${\rm Richtung \ (B)}, v_1\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $

$\hspace{2.75cm} v_2\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S}\ = \ $

$\ 10^{\rm –5}$

4

Es gelte $f_{\rm S} = 2 \ \rm GHz$. Welche Dopplerfrequenzen ergeben sich für die Fahrtrichtung (C) und (D mit Gleichung (2)?

${\rm Richtung \ (C)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D} \ = \ $

$\ \rm Hz$
${\rm Richtung \ (D)}, \upsilon_3\text{:} \hspace{0.4cm} f_{\rm D} \ = \ $

$\ \rm Hz$


Musterlösung

(1)  Bei der Fahrtrichtung (A) nähert sich der Empfänger dem Sender unter dem Winkel $\alpha = 0$. Damit ergibt sich nach der relativistischen Gleichung (1):

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c } \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm S} \cdot \left [ \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c } - 1 \right ]$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{f_{\rm D}}{f_{\rm S}} = \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c } - 1 \hspace{0.05cm}.$$

Man $\upsilon_1/c = 0.6$ erhält man:

$$\frac{f_{\rm D}}{f_{\rm S}} = \frac{\sqrt{1 - 0.6^2}}{1 - 0.6 } - 1 = \frac{0.8}{0.4 } - 1 \hspace{0.15cm} \underline{ = 1} \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E}}/{f_{\rm S}} = 2 \hspace{0.05cm}.$$

Entsprechend gilt mit $\upsilon_2/c = 10^{\rm –5}$:

$$\frac{f_{\rm D}}{f_{\rm S}} = \frac{\sqrt{1 - (10^{-5})^2}}{1 - (10^{-5}) } - 1 \approx 1 + 10^{-5} - 1 \hspace{0.15cm} \underline{ = 10^{-5}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E}}/{f_{\rm S}} = 1.00001 \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Nun entfernt sich der Empfänger vom Sender ($\alpha = 180^°$). Die Empfangsfrequenz $f_{\rm E}$ ist kleiner als die Sendefrequenz $f_{\rm S}$ und die Dopplerfrequenz $f_{\rm D}$ negativ. Mit ${\rm cos}(\alpha) = \ –1$ erhält man nun:

$$\frac{f_{\rm D}}{f_{\rm S}} = \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 + v/c } - 1 = \left\{ \begin{array}{c} \hspace{0.15cm} \underline{ -0.5} \\ \\ \hspace{0.15cm} \underline{ -10^{-5}} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} \hspace{-0.2cm}{\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} v_1/c = 0.6 \\ \\ {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} v_2/c = 10^{-5} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$

Umgerechnet auf $f_{\rm E}/f_{\rm S}$ ergibt sich:

$$\frac{f_{\rm E}}{f_{\rm S}} = \left\{ \begin{array}{c} \hspace{0.15cm} { 0.5} \\ \\ \hspace{0.15cm} { 0.99999} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} \hspace{-0.2cm}{\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} v_1/c = 0.6 \\ \\ {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} v_2/c = 10^{-5} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Hier gelten folgende Gleichungen:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \left [ 1 + \frac{v}{c} \cdot \cos(\alpha) \right ] \Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{f_{\rm D}}{f_{\rm S}} = \frac{v}{c} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.05cm}.$$

Daraus ergeben sich folgende Zahlenwerte:

  • Richtung (A), $\upsilon_1 /c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}: f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \underline {= \ 0.6} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 1.6,$
  • Richtung (A), $\upsilon_2 /c = 3.0 \cdot 10^3 \ {\rm m/s}: f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \underline {= \ 10^{\rm –5}} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 1.00001,$
  • Richtung (B), $\upsilon_1 /c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}: f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \underline {= \ –0.6} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 0.4,$
  • Richtung (B), $\upsilon_2 /c = 3.0 \cdot 10^3 \ {\rm m/s}: f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \underline {= \ –10^{\rm –5}} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 0.99999.$


Man erkennt, dass für realistische Geschwindigkeiten – dazu rechnen wir auch $\upsilon \ \approx \ 10000 \ {\rm km/h}$ – die herkömmliche Gleichung (2) bis hin zur Genauigkeit eines Taschenrechners das gleiche Ergebnis liefert wie die relativistische Gleichung (1). Mit der Näherung liefern die Winkel $\alpha = 0^°$ und $\alpha = 180^°$ den gleichen Betrag der Dopplerfrequenz. Die Näherungen unterscheiden sich nur im Vorzeichen. Bei der relativistischen Gleichung ist diese Symmetrie nicht mehr gegeben (siehe Teilaufgaben 1) und 2)).


(4)  Gleichung (2) führt hier zum Ergebnis:

$$f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm S} \cdot \frac{v_3}{c} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.05cm}.$$
  • Die Fahrtrichtung (C) verläuft senkrecht ($\alpha = 90^°$) zur Verbindungslinie Sender–Empfänger. In diesem Fall tritt keine Dopplerverschiebung auf: $f_{\rm D} \ \underline {= \ 0}$.
  • Die Bewegungsrichtung (D) ist durch $\alpha = \ –135°$ charakterisiert. Daraus resultiert:
$$f_{\rm D} = 2 \cdot 10^{9}\,\,{\rm Hz} \cdot \frac{30\,\,{\rm m/s}}{3 \cdot 10^{8}\,\,{\rm m/s}} \cdot \cos(-135^{\circ}) \hspace{0.15cm} \underline{ \approx -141\,\,{\rm Hz}} \hspace{0.05cm}.$$