L'effet Doppler

Cette fiche de révision vous propose de revoir le phénomène de l'effet Doppler propre à la séquence des ondes et matière dans le programme de physique chimie en terminale scientifique. Notre professeur, M. Rachini, vous explique tout sur l'effet...

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Cette fiche de révision vous propose de revoir le phénomène de l'effet Doppler propre à la séquence des ondes et matière dans le programme de physique chimie en terminale scientifique. Notre professeur, M. Rachini, vous explique tout sur l'effet Doppler pour vous permettre d'assurer à l'épreuve du Bac !

 

Nouveau sur digiSchool ! Notre professeur te propose de découvrir son cours en vidéo ! Retrouve la suite du cours consacrée aux cas de l'effet Doppler.

I - L'effet Doppler

Pour une personne immobile, le bruit émis par une voiture n'est pas le même quand celle-ci se rapproche ou s'éloigne. Quand la voiture se rapproche, le son paraît plus aigu. Quand elle s'éloigne, le son paraît plus grave. C'est l'effet Doppler.

II - Fréquence émise et fréquence détectée

La fréquence émise f E est celle produite par une source ou un émetteur E (la fréquence du son émis par une voiture). La fréquence détectée f R est celle reçue par un récepteur R (un observateur).

1 - Décalage Doppler de la fréquence (ondes sonores)

1 - Source en mouvement rectiligne avec une vitesse VE et récepteur au repos

C'est le cas d'un émetteur E ayant une célérité V E et un récepteur au repos. L'axe est orienté de l'émetteur E vers le récepteur R.
L'effet du déplacement de la source n'affecte pas la célérité de l'onde, mais contracte ou dilate la longueur d'onde du récepteur ? R, et par conséquence agit sur la fréquence du récepteur f R.
La fréquence du récepteur f R est définie par :
f R = Equation (1)
Avec, c = la célérité de l'onde sonore en m/s, f E est la fréquence de l'émetteur, f R est la fréquence du récepteur et V E la vitesse de la source
- Si la source s'éloigne du récepteur (signe +), donc f R < f E
- Si la source se rapproche du récepteur (signe -), donc f R > f E

2 - Source au repos et récepteur en mouvement rectiligne avec une vitesse VR

Etant donnée que le récepteur se déplace, il voit l'onde sonore se propager avec une célérité différente c' avec :
c' = c ± V R Equation (2)
Un signe + si le récepteur se déplace vers la source, et un signe - s'il s'en éloigne. La longueur d'onde ? E est vue de manière identique, mais la variation de la célérité a une influence sur la fréquence du récepteur f R .
f R = f E Equation (3)
- Si le récepteur se rapproche du récepteur (signe +), donc f R > f E
- Si le récepteur s'éloigne du récepteur (signe -), donc f R < f E

Découvrez la suite du cours en vidéo sur les autres cas de l'effet Doppler.

3 - Source et récepteur en mouvement rectiligne sur un même axe, respectivement avec des vitesses VE et VR

Dans ce cas, les deux phénomènes présentés précédemment sont pris en compte. Il en résulte que la fréquence reçue par le récepteur est :
f R = f E Equation (4)
Avec, au numérateur: Signe (+) le récepteur se dirige vers la source.
Signe (-) le récepteur s'éloigne de la source.
Et au dénominateur: Signe (+) la source s'éloigne du récepteur.
Signe (-) la source se dirige vers le récepteur.

4 - Source et récepteur en mouvement quelconque, respectivement avec des vitesses VE et VR

Imaginons un cas général où les deux vitesses de déplacement de l'émetteur (source) et du récepteur ne sont pas sur le même axe.
La vitesse de la source V E fait un angle avec l'axe x noté ? E et la vitesse du récepteur V R fait un angle ? R avec le même axe.
La célérité c de l'onde est considérée dans le même sens que l'axe x.
Dans ce cas, la fréquence reçue par le récepteur est donnée par :
f R = f E Equation (5)
Avec, au numérateur: Signe (+) le récepteur se dirige vers la source.
Signe (-) le récepteur s'éloigne de la source.
Et au dénominateur: Signe (+) la source s'éloigne du récepteur.
Signe (-) la source se dirige vers le récepteur.

La suite du cours est sur l'effet Doppler Fizeau et les ondes lumineuses.

2 - Cas des ondes lumineuses (ondes électromagnétiques)

L'effet Doppler concerne également les ondes lumineuses. Cependant, la formule est différente, car la célérité de la lumière est indépendante du référentiel, et requiert ainsi un calcul de la relativité restreinte. La fréquence reçue par le récepteur est donnée par :
f R = f E Equation (6)
Avec V égale à la vitesse relative entre la source E et le récepteur R. C'est une vitesse algébrique. V>0 si éloignement, V<0 si rapprochement. Et   est la célérité de la lumière dans le vide.
Quand V << c, la relation peut se mettre sous la forme suivante :
f R = f E Equation (7)
On parle ainsi d'effet Doppler-Fizeau pour désigner l'effet Doppler appliqué à la lumière, en référence à Hippolyte Fizeau (1819-1896), qui, comme Christian Doppler (1803-1853), travailla sur le phénomène.

La fin du cours se trouve en bas de la fiche et est consacré aux application de l'effet Doppler Fizeau.

3 - Quelques applications médicales, industrielles et astrophysiques de l'effet Doppler-Fizeau

En application médicale, l'effet Doppler-Fizeau est utilisé pour déterminer des vitesses de particules en mouvement (globules, spermatozoïdes...) inaccessibles à l'observation directe. Ces particules sont la cible d'une onde (ultrasons ou lumière) qu'elles réfléchissent en partie. L'onde réfléchie a une fréquence décalée par rapport à l'onde incidente. Ce décalage nous renseigne ainsi sur la vitesse de déplacement de ces particules. On peut citer par exemple : la vélocimétrie ultrasons et la vélocimétrie optique.
De même qu'en médical, l'effet Doppler-Fizeau est utilisé en industrie pour déterminer des vitesses à distance comme par exemple la vitesse d'écoulement d'un fluide dans une canalisation.
Egalement, cet effet est employé comme un moyen d'investigation en astrophysique pour estimer, par exemple, la vitesse des étoiles, des astres et des galaxies dans l'univers.
Les astronautes ont constatés que les galaxies s'éloignent à une vitesse d'autant plus grande qu'elles sont plus loin de la Terre. Ainsi, la théorie du Big-Bang peut s'interpréter par le fait que tout se passe comme si, à l'instant origine, l'Univers s'était formé à partir d'une explosion où les produits de l'explosion d'origine forment maintenant les parties les plus éloignées de l'Univers.

Fin de l'extrait

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Les avis sur ce document

khitohood
5 5 0
20/20

C'est à une semaine du bac que je fini par comprendre l'effet Doppler, si j'avais lu ce cours depuis ! Tres bien expliqué.

par - le 13/06/2014
ArthurRZK
5 5 0
20/20

Bon cours. Les formules y sont toutes, et le cours est bien détaillé.

par - le 10/06/2014

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