ドップラー効果をわかりやすく解説①:ドップラー効果の原理

この記事では波動の分野で学ぶ「ドップラー効果」について解説していきます。

ドップラー効果は受験物理の中でも超頻出の単元でかなりボリュームがあります。当記事から何回かに分けて、ドップラー効果の原理や基本の解法についてまとめていきますので最後まで楽しんでください。

  • これから物理を学ぶ高校生
  • 物理を得点源にしたい受験生

に向けて、できるだけ噛み砕いて解説しますので、ドップラー効果を得意分野にしちゃいましょう!

ドップラー効果の原理

例えば救急車が通り過ぎた時、遠ざかるに連れてサイレンの音が変わった、なんて経験をしたことはありませんか?他にも電車に乗っている時に踏切の音が変化して聞こえた、なんてことを経験したこともあるかもしれません。

例のように、音を発する物体を通り過ぎたり、音を発する物体が近づいた時、音の高さが変わって聞こえる現象をドップラー効果と呼びます。

ドップラー効果の定義はこちら。

ドップラー効果とは
音源または観測する観測者が動いている場合、音源が発する振動数と実際に観測する振動数が異なって聞こえる。この現象をドップラー効果という。

平たく言うと「動いている時に音が違って聞こえる」のがドップラー効果です。大学受験物理の範囲では、ドップラー効果を式で表す問題が出題されるのですが、どのようにして式に表すかは「ドップラー効果をわかりやすく解説②」の記事で解説していきます。

まずは「なぜドップラー効果が起こるのか?」をイメージできるようにするのが大切です。

ここからは音源が動くケースと観測者が動くケース、それぞれで音波にどのような変化が起こっているのか?を画像を使って解説していきます。

音源が動く場合

音源が止まった状態で音波を発している場合、画像のように常に一定の波長の音波を観測者は観測するようになります。

音源が観測者に近づいている場合を考えてみましょう。すると画像のように音波の波面が圧縮された(=波長が短くなる)状態で観測することになります。

波の基本式v=f\lambdaを変形した式f=\frac{v}{\lambda}を考えると、波長が短くなるほど振動数が大きくなるのがわかるため、音源が観測者に近く場合、実際の音より高く聞こえるようになります。

離れる場合は波長が長くなるため、逆に音が低く聞こえるようになります。これが音源が動く場合のドップラー効果の簡単な原理の説明です。

観測者が動く場合

では続いて観測者が動くケースも考えてみましょう。観測者が止まっている場合はもちろん、常に一定の波長の音波を観測することになります。

観測者が音源に近づいている場合を考えると、音源が近く場合と同様に音波の波面の間隔が短い状態で観測するようになります。なので音は実際よりも高く聞こえます。

例えば画像のように、静止している場合は3つの波面を観測しますが近づく場合はさらに3つの波面が通過するため、合計で6個の波面を観測することになります。

離れる場合は波長が長くなるため、音が低く聞こえるようになります。

理解できたらドップラー効果の解説その②へ進もう!

ここまでがドップラー効果の基本的な原理です。

ドップラー効果は

①音源が動くケース
②観測者が動くケース
③音源も観測者も動くケース

の3パターンについてを公式を使って一般化していくのですが、一度に覚えようとすると少々ややこしくなります。特に③の音源も観測者も動くパターンで受験生は混乱しがちです。

ですが安心してください。1つ1つの原理原則をしっかり理解できれば全く難しくありません。次の記事以降でわかりやすく解説していきます。

次の「ドップラー効果の解説その②」の記事では、①の音源が動くケースを考えていきましょう。

「ドップラー効果の解説その②」に進む


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【波動についてもっと詳しく学ぶ】
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