Travail pratique sur l’effet Doppler des ondes

Introduction du TP

L’effet Doppler est un phénomène ondulatoire qui trouve des applications en médecine (mesure de la vitesse du sang) en sécurité routière (radar) en astronomie (éloignement des galaxies).

Objectifs du TP

En classe de terminale au lycée général et technologique, vous devez :

  • Décrire et interpréter qualitativement les observations correspondant à une manifestation de l’effet Doppler : GO
  • Exploiter l’expression du décalage Doppler dans des situations variées utilisant des ondes acoustiques ou des ondes électromagnétiques : GO

Capacités et compétences travaillées

Description et interprétation de l’effet Doppler

Travail n°1 : A l’aide des 2 vidéos ci-dessous, décrire les incidences de l’effet Doppler sur notre perception des ondes sonores et lumineuses.

Doppler et les ondes sonores

La hauteur d’un son de la F1 est différente si la voiture se rapproche ou s’éloigne de nous.
Source – chaine Youtube : “krookzeh”

Doppler et les ondes lumineuses

Dans cette vidéo, le bonhomme A peut être vu comme une galaxie et le bonhomme B comme un astronome observant la galaxie A.
Source – chaine Youtube : “ScienceClic”

Travail n°2 : A l’aide des 2 animations ci-dessous, interpréter pourquoi les fréquences perçues sont différentes des fréquences émises.

L'effet Doppler pour une voiture

Cette animation vous permettra de varier différents paramètres (vitesse, fréquence) pour constater l’effet Doppler grâce à des sons et des graphiques.
Illustration de l’animation sur l'effet Doppler proposée par le site web Ostralo

L'effet Doppler

Vous pourrez visualiser une onde sonore captée par un micro qui est relié à un ordinateur ou un oscilloscope. On peut aussi entendre le son produit par l’onde sonore visualisée.
Illustration de l’animation sur l'effet doppler proposée par le site web Ostralo

Exploitation de l'effet Doppler

Problème

Un élève, basé au bord de la route, a enregistré l’émission sonore du klaxon d’une Kangoo qui roule à vitesse constante. Il a aussi dans son ordinateur le son du klaxon de la Kangoo lorsqu’elle est immobile. Il souhaite savoir si l’automobiliste était en excès de vitesse dans la ville.

Données

Si la vitesse v de la source est très faible devant la célérité c des ondes alors le décalage Doppler Δf s’écrit :
Formule du décalage Doppler
  • fR en Hertz : fréquence de l’onde sonore perçue par l’observateur
  • fe en Hertz : fréquence de l’onde sonore émise par l’émetteur au repos
  • v en m/s : vitesse de l’émetteur par rapport à l’observateur
  • c en m/s : vitesse de propagation (=célérité) de l’onde sonore. Dans l’air c = 340 m/s

Mesure de la fréquence émise fe

  • Ouvrir le fichier “Son Kangoo arrêt.mp3” avec le logiciel Audacity.
  • Ecouter le son produit par le fichier.

1 : Sélectionner une zone d’amplitude constante.

2 : Dans la barre de menu suivez le chemin : Analyse / Tracer du spectre.

Pour mesurer la fréquence fondamentale émise par la voiture à l’arrêt, placer votre curseur de souris sur le premier pic. Lire directement la mesure de la fréquence dans l’encadrement 3.

3′ : Pour identifier plus facilement le pic, vous pouvez choisir un axe “Fréquence logarithmique”.

Mesure de la fréquence émise fR

  • Ouvrir le fichier “Son Kangoo mouvement.mp3”.
  • Faites le même travail que précédemment.

Calcul de la vitesse v de la voiture

  • A l’aide de vos mesures du travail 1 et 2 et des données dont vous disposez au début du TP, calculer la vitesse de la voiture. 
  • Conclure. 

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