Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Donnerstag, 10. September 2020

Wenn Sterne und Galaxien rot werden, 5) Der Dopplereffekt I

 Der Dopplereffekt beschreibt eigentlich ein Transportphänomen:

Wenn ein Bäcker Teig auf ein Fließband zum Ofen legt, kommen die Teigstücke häufiger an, wenn der Bäcker sich dabei auf den Ofen zubewegt, und weniger häufig, wenn er vom Ofen, beim Auflegen der Teigstücke auf das Band, weggeht.

Bei Leifiphysik hat man das mit einem Mann symbolisiert, der ständig Hunde losschickt. Das Bild zeige ich mal. Da ich nie herausgefunden habe, wo all die vielen Hunde herkommen, nehme ich lieber den Bäcker und den Teig...

 

aus leifiphysik

Bei Wellen sind es die Wellenberge, die man sich anstelle der Teigröllchen auf dem Fließband vorstellen kann. Wenn die Wellenberge häufiger ankommen, erkennt man das als eine Verkürzung der Wellenlänge. Das nennt man Blauverschiebung, schließlich ist die Wellenlänge der Abstand zweier benachbarter Wellenberge.

Kommen die Wellenberge etwas seltener an, so verlängert sich die Wellenlänge. Das nennt man eine Rotverschiebung.

In der Schule behandelt man zwangsweise den Dopplereffekt bei Schall. Da muss man unterscheiden, ob sich die Schallquelle (der teigröllchenauflegende Bäcker) oder der Empfänger (hier der Ofen) bewegt.

Es gibt vier Fälle:

Sender entfernt sich vom Empfänger

Sender läuft auf Empfänger zu

Empfänger entfernt sich vom Sender

Empfänger kommt auf Sender zu

All das kann man in einer wunderschönen Animation bei Leifiphysik mal selbst ausprobieren:

Simulation zum Dopplereffekt 

Zu jeder dieser Fälle gibt es eine Formel. Dabei muss unterschieden werden, ob sich der Sender oder der Empfänger bewegt.

An einem einfachen Beispiel wird deutlich, dass man bei Schall zwischen der Bewegung von Sender und Empfänger unterscheiden muss:

Bewegt sich der Empfänger mit Schallgeschwindigkeit vom Sender weg, so hört er nichts. Totale Ruhe!

Bewegt sich der Sender mit Schallgeschwindigkeit vom Empfänger weg, so hört man sogar sehr viel: es gibt einen Überschallknall.

Die Formeln für den Dopplereffekt bei Schall stehen in der Formelsammlung.

Damit daraus eine Abituraufgabe wird, nimmt man Vorgänge, bei denen sich Sender und Empfänger gleichzeitig bewegen oder ein Signal von einem bewegten Sender an einem bewegten Empfänger reflektiert wird (der dann zum bewegten Sender wird).

Astronomen beschäftigen sich nicht mit Schall, sondern mit Licht...und bei Licht ist alles viel einfacher:

- Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich groß, egal ob sich Sender oder Empfänger bewegen.

- Man muss nicht zwischen der Bewegung von Sender und Empfänger unterscheiden. Es kommt nur auf die Relativgeschwindigkeit an.

Das hat natürlich auch einen Nachteil: denn nun kann man nicht mehr unterscheiden, woher die Wellenlängenänderung kommt...durch Bewegung des Sternes, durch die Bewegung der Erde oder duch beides

Aber das nimmt man gerne in Kauf, wenn man dafür keine unsinnigen Aufgaben rechnen muss.

Fassen wir zusammen:

Eine Verlängerung der Wellenlänge (niedrigere Frequenz) bedeutet bei Licht eine Rotverschiebung, eine Verkürzung der Wellenlänge eine Blauverschiebung.

Entfernen sich Lichtquelle und Beobachter voneinander, so sind alle Wellenlängne nach Rot verschoben.

Kommen sie aufeinander zu, so gib es eine Blauverschiebung.

Die Farben der Sterne kann man damit aber so, wie es Doppler wollte, nicht erklären. Dazu sind Sterne zu langsam.

wird fortgesetzt....

Im letzten Post der Serie leite ich die Dopplerformel für Rotverschiebung her. 

Dann gibt es noch einen schönen Film.

In einer neuen Postserie wird es dann um den Dopplereffekt in der Astronomie gehen. Das passt nicht in diese Serie, denn da kommen ja auch Blauverschiebungen vor.




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