Exercices Physique Chimie

L’effet Doppler (introduction qualitative)

Physique : L'Effet Doppler (Introduction Qualitative)

L'effet Doppler (introduction qualitative)

Contexte : Le Son qui Change de "Voix"

Vous avez tous déjà entendu le son d'une ambulance : la sirène semble plus aiguë lorsqu'elle s'approche, puis devient soudainement plus grave lorsqu'elle s'éloigne. Pourtant, la sirène émet toujours le même son ! Ce phénomène fascinant s'appelle l'effet DopplerModification de la fréquence d'une onde (sonore ou lumineuse) perçue par un observateur, lorsque la source de l'onde et l'observateur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.. Il est dû au mouvement de la source sonore par rapport à celui qui écoute. Cet exercice a pour but de comprendre qualitativement pourquoi ce changement de hauteurCaractéristique d'un son qui permet de le classer comme grave ou aigu. se produit.

Remarque Pédagogique : L'effet Doppler est un concept fondamental en physique des ondes. Le comprendre avec le son nous aide à imaginer comment il s'applique à d'autres ondes, comme la lumière, pour des applications aussi variées que les radars de vitesse ou la mesure de l'expansion de l'Univers.

Objectifs Pédagogiques

  • Définir l'effet Doppler avec des mots simples.
  • Associer le rapprochement d'une source sonore à une augmentation de la fréquence perçue (son plus aigu).
  • Associer l'éloignement d'une source sonore à une diminution de la fréquence perçue (son plus grave).
  • Comprendre la différence entre la fréquence émise (réelle) et la fréquence perçue.
  • Identifier sur un schéma les zones de son aigu et de son grave.

Données de l'étude

Une ambulance, sirène allumée, se déplace de gauche à droite à vitesse constante. La sirène émet un son de fréquence réelle \(f_{réelle} = 700 \, \text{Hz}\). Un observateur est immobile sur le trottoir.

Schéma de la situation
🚑 🧍 Observateur Mouvement

Données :

  • Fréquence réelle de la sirène : \(f_{réelle} = 700 \, \text{Hz}\)
  • L'observateur perçoit trois fréquences différentes selon la position de l'ambulance : \(f_1 = 740 \, \text{Hz}\), \(f_2 = 660 \, \text{Hz}\) et \(f_3 = 700 \, \text{Hz}\).

Questions à traiter

  1. Quelle fréquence l'observateur perçoit-il lorsque l'ambulance s'approche de lui ? Justifier.
  2. Quelle fréquence l'observateur perçoit-il lorsque l'ambulance s'éloigne de lui ? Justifier.
  3. À quel moment très précis l'observateur perçoit-il la fréquence réelle de la sirène (\(f_3 = 700 \, \text{Hz}\)) ?

Correction : L'effet Doppler (introduction qualitative)

Question 1 : L'ambulance s'approche

Principe :
🧍 🚑 Ondes "compressées" f perçue > f réelle

Lorsque l'ambulance se déplace vers l'observateur, elle "rattrape" les ondes sonores qu'elle émet. Les fronts d'onde sont donc plus rapprochés les uns des autres du point de vue de l'observateur. Plus d'ondes arrivent à son oreille chaque seconde : la fréquence perçue est plus élevée que la fréquence réelle. Le son paraît donc plus aigu.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : L'ambulance ne change pas le son qu'elle produit. C'est le mouvement qui "comprime" les ondes devant elle et les "étire" derrière elle, modifiant ainsi la perception du son pour un observateur immobile.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Source se rapproche} \Rightarrow f_{\text{perçue}} > f_{\text{réelle}} \]
Donnée(s) :
  • Fréquence réelle : \(f_{réelle} = 700 \, \text{Hz}\)
  • Fréquences perçues possibles : 740 Hz, 660 Hz, 700 Hz
Calcul(s) :

On cherche la fréquence perçue qui est supérieure à la fréquence réelle. Parmi les choix, seule 740 Hz est supérieure à 700 Hz.

Points de vigilance :

Raisonnement qualitatif : L'exercice ne demande pas de calculer la valeur exacte, mais de choisir la bonne valeur en appliquant le principe de l'effet Doppler. Il faut bien lier "s'approche" à "plus aigu" et donc "fréquence plus élevée".

Le saviez-vous ?

L'effet Doppler s'applique aussi à la lumière. Les astronomes l'utilisent pour savoir si les galaxies s'éloignent de nous (leur lumière est décalée vers le rouge, "redshift") ou s'approchent (décalée vers le bleu, "blueshift"). C'est ainsi qu'on a découvert que l'Univers est en expansion !

FAQ en rapport avec la question :
Est-ce que la vitesse de l'ambulance change la fréquence ?

Oui, absolument. Plus l'ambulance va vite, plus l'effet de "compression" des ondes est important, et plus la fréquence perçue sera élevée (et donc le son aigu). C'est pour cela que l'effet est beaucoup plus marqué avec une voiture de course qu'avec une voiture qui roule lentement.

Résultat : Lorsque l'ambulance s'approche, l'observateur perçoit la fréquence \(f_1 = 740 \, \text{Hz}\).

Question 2 : L'ambulance s'éloigne

Principe :
🧍 🚑 Ondes "étirées" f perçue < f réelle

Inversement, lorsque l'ambulance s'éloigne de l'observateur, elle "fuit" les ondes qu'elle émet. Les fronts d'onde sont donc plus espacés. Moins d'ondes arrivent à l'oreille chaque seconde : la fréquence perçue est plus basse que la fréquence réelle. Le son paraît donc plus grave.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le changement de son de "aigu" à "grave" est ce qui caractérise le passage d'un véhicule d'urgence. Ce changement se produit au moment précis où le véhicule passe à notre niveau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Source s'éloigne} \Rightarrow f_{\text{perçue}} < f_{\text{réelle}} \]
Donnée(s) :
  • Fréquence réelle : \(f_{réelle} = 700 \, \text{Hz}\)
  • Fréquences perçues possibles : 740 Hz, 660 Hz, 700 Hz
Calcul(s) :

On cherche la fréquence perçue qui est inférieure à la fréquence réelle. Parmi les choix, seule 660 Hz est inférieure à 700 Hz.

Points de vigilance :

Bien identifier le sens du mouvement : Il est crucial de ne pas se tromper entre "s'approche" (fréquence augmente) et "s'éloigne" (fréquence diminue).

Le saviez-vous ?

Les chauves-souris utilisent l'effet Doppler pour chasser. Elles émettent des ultrasons et écoutent l'écho. Si l'écho revient avec une fréquence plus élevée, cela signifie que l'insecte se rapproche. Si la fréquence est plus basse, l'insecte s'éloigne. Cela leur permet de connaître la vitesse de leur proie !

FAQ en rapport avec la question :
Et si c'est moi qui bouge et que l'ambulance est immobile ?

L'effet est le même ! Ce qui compte, c'est le mouvement relatif entre la source et l'observateur. Si vous courez vers une ambulance immobile, sa sirène vous paraîtra plus aiguë. Si vous fuyez, elle vous paraîtra plus grave.

Résultat : Lorsque l'ambulance s'éloigne, l'observateur perçoit la fréquence \(f_2 = 660 \, \text{Hz}\).

Question 3 : Perception de la fréquence réelle

Principe :
🧍 🚑 f perçue = f réelle

L'effet Doppler n'a lieu que s'il y a un mouvement de rapprochement ou d'éloignement. Au moment précis où l'ambulance passe juste à la hauteur de l'observateur, sa vitesse n'est dirigée ni vers lui, ni à l'opposé. À cet instant, il n'y a plus de compression ou d'étirement des ondes. L'observateur perçoit donc la fréquence réellement émise par la sirène.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Ce moment est très bref. C'est l'instant de transition où le son passe de l'aigu au grave. Notre cerveau perçoit cela comme un changement continu, mais physiquement, il y a un point précis où la fréquence perçue est égale à la fréquence réelle.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Source à la hauteur de l'observateur} \Rightarrow f_{\text{perçue}} = f_{\text{réelle}} \]
Donnée(s) :
  • Fréquence réelle : \(f_{réelle} = 700 \, \text{Hz}\)
  • Fréquence perçue : \(f_3 = 700 \, \text{Hz}\)
Calcul(s) :

Il n'y a pas de calcul à faire, mais une déduction logique. Le moment où la fréquence perçue est égale à la fréquence réelle est celui où il n'y a ni rapprochement, ni éloignement.

Points de vigilance :

Un instant précis : Il ne faut pas confondre ce moment avec une longue durée. L'effet Doppler est en action juste avant et juste après ce point. La perception de la fréquence réelle est instantanée.

Le saviez-vous ?

Les radars de vitesse de la police utilisent l'effet Doppler. Ils envoient une onde radio vers une voiture. L'onde est réfléchie et revient vers le radar. En mesurant le changement de fréquence de l'onde retour, le radar peut calculer la vitesse exacte de la voiture !

FAQ en rapport avec la question :
Que se passe-t-il si l'ambulance passe très loin de moi ?

Plus l'ambulance passe loin, plus le changement de son sera progressif et moins marqué. L'effet est maximal lorsque le véhicule passe très près de l'observateur.

Résultat : L'observateur entend la fréquence réelle de 700 Hz à l'instant précis où l'ambulance passe à sa hauteur.

Défi : Calculez vous-même !

Un train klaxonne en approchant d'un passage à niveau. Une personne qui attend à la barrière entend un son plus aigu que le son réel du klaxon. Que peut-on dire de la fréquence qu'elle perçoit ?

Le Saviez-Vous ?

En médecine, l'échographie Doppler utilise des ultrasons pour mesurer la vitesse du flux sanguin dans les artères et les veines. Le décalage de fréquence de l'écho des ultrasons renseigne le médecin sur la vitesse et la direction du sang, permettant de détecter des anomalies.

Foire Aux Questions (FAQ)

Est-ce que le volume du son change aussi ?

Oui, mais ce n'est pas l'effet Doppler. Le volume augmente lorsque l'ambulance s'approche car la distance diminue (l'intensité sonore est plus forte près de la source), puis diminue lorsqu'elle s'éloigne. L'effet Doppler ne concerne que le changement de hauteur (fréquence), pas le changement de volume (amplitude).

L'effet Doppler existe-t-il pour un observateur en mouvement ?

Oui. Si vous êtes dans une voiture et que vous croisez une sirène fixe, vous entendrez exactement le même phénomène : un son qui passe de l'aigu au grave. Ce qui compte est le mouvement relatif entre la source et l'observateur.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Une voiture de course s'éloigne de vous. Le son de son moteur vous paraît :

2. Un astronome observe une galaxie et constate que sa lumière est "décalée vers le bleu" (blueshift). Cela signifie que la galaxie :

Glossaire

Effet Doppler
Modification de la fréquence d'une onde perçue par un observateur lorsque la source de l'onde est en mouvement par rapport à lui.
Fréquence (f)
Nombre de vibrations d'une onde par seconde. Elle détermine la hauteur d'un son. Unité : Hertz (Hz).
Fréquence Réelle (ou Propre)
Fréquence émise par la source sonore lorsqu'elle est immobile.
Fréquence Perçue
Fréquence entendue par l'observateur, qui peut être différente de la fréquence réelle si la source est en mouvement.
L'effet Doppler (introduction qualitative)

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