Effet Doppler : pendule sonore
Etude de l'effet Doppler pour un pendule sonore ou une balançoire
Description détaillée
Cette activité pédagogique invite les élèves à étudier l'effet Doppler via un pendule sonore créé en suspendant un smartphone émettant un son. Ils examineront les variations de fréquence dues au mouvement du pendule, mettant en pratique des notions telles que fréquence, période, et vitesse. L'analyse de la courbe de fréquence asymétrique stimule la réflexion critique. L'intégration de la technologie renforce l'expérience d'apprentissage, encourageant une démarche scientifique active et la communication des résultats dans un cahier d'expérience. Cette expérience peut également être réalisée en utilisant une balançoire sur laquelle un élève tient une source sonore. FizziQ permet de mesurer la fréquence fondamentale du son perçu en temps réel et de consigner l'hypothèse, les graphiques et les calculs dans le cahier d'expérience de l'application.
Objectifs pédagogiques
- Mettre en évidence expérimentalement l’effet Doppler sonore
- Mesurer les variations de fréquence liées au mouvement d’une source sonore
- Comprendre la relation entre vitesse et décalage de fréquence
- Observer la périodicité d’un mouvement pendulaire
- Interpréter un graphique représentant une variation de fréquence
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Fréquence fondamentale
- Synthétiseur
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — consigner l'hypothèse initiale, les graphiques de fréquence, les calculs de vitesse et des photos du montage.
- Bibliothèque de sons — fournit l'enregistrement 'Effet Doppler Pendule' prêt à l'emploi pour réaliser l'expérience avec un seul appareil.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ, permettant l'analyse de la fréquence d'un son grâce au microphone intégré
- Fil ou ficelle pour suspendre un smartphone (option 1)
- Enregistrement 'Effet Doppler Pendule' de la bibliothèque de sons FizziQ (option 2)
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'analyse spectrale sonore comparable.
Protocole expérimental
Avant de commencer, fais une hypothèse : comment la fréquence du son perçu va-t-elle varier lorsque le smartphone se rapproche puis s'éloigne de toi ? Note ta réponse dans ton cahier d'expériences.
Option 1 (deux appareils) : suspends solidement un smartphone à une ficelle d'au moins un mètre (utilise une pochette ou un filet bien attaché pour éviter toute chute). Avec le Synthétiseur du menu Outils, fais-lui émettre un son pur, par exemple 1000 Hz.
Sur un second appareil, placé immobile près du point le plus bas de la trajectoire, sélectionne la mesure Fréquence fondamentale dans l'onglet Mesures.
Écarte le pendule d'un angle d'environ 20 à 30 degrés, lâche-le sans le pousser et enregistre la fréquence mesurée pendant une dizaine d'oscillations.
Option 2 (un seul appareil) : si tu ne peux pas suspendre de smartphone, joue l'enregistrement « Effet Doppler Pendule » de la bibliothèque de Sons du menu Outils, et enregistre en même temps la Fréquence fondamentale : FizziQ permet d'émettre et de mesurer simultanément.
Observe le graphique obtenu. La fréquence est-elle constante ? Comment varie-t-elle au cours du temps ?
Mesure la période des variations de fréquence sur le graphique. Compare-la à la période d'oscillation du pendule, mesurée au chronomètre ou calculée avec T = 2π√(L/g). Que constates-tu ?
Relève la fréquence moyenne f et l'écart maximal de fréquence Δf. À quels instants du mouvement cet écart est-il maximal ? À quels instants est-il nul ?
Calcule la vitesse maximale du pendule avec la relation v = c × Δf / f, où c ≈ 343 m/s est la vitesse du son. Compare cette valeur à la vitesse théorique v = √(2gh), où h est la hauteur de lâcher. Les deux valeurs sont-elles cohérentes ?
Recommence avec une longueur de fil ou une amplitude différente. Comment la période et l'amplitude du décalage de fréquence sont-elles modifiées ?
Récapitule tes résultats dans ton cahier d'expériences avec tes graphiques, tes calculs et des photos du montage.
Résultats attendus
Lorsque le pendule est en mouvement, la fréquence mesurée varie périodiquement autour d’une valeur moyenne correspondant à la fréquence émise. Lorsque le smartphone s’approche du microphone, la fréquence perçue augmente légèrement. Lorsqu’il s’éloigne, la fréquence diminue. Ces variations se répètent à chaque oscillation du pendule. L’amplitude du décalage de fréquence dépend de la vitesse maximale du pendule. Des fluctuations peuvent apparaître si le mouvement n’est pas régulier ou si le microphone capte des bruits parasites.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi la fréquence perçue augmente-t-elle lorsque la source s’approche ?
- Pourquoi le décalage de fréquence est-il maximal au centre du mouvement ?
- Comment la longueur du pendule influence-t-elle la période d’oscillation ?
- Quels facteurs peuvent réduire la précision des mesures ?
- Pourquoi le décalage de fréquence reste-t-il faible dans cette expérience ?
Explications scientifiques
L'effet Doppler, découvert par Christian Doppler en 1842, est la variation apparente de fréquence d'une onde perçue par un observateur lorsque la source et l'observateur sont en mouvement relatif. Pour une source sonore s'approchant de l'observateur, la fréquence perçue est plus élevée que la fréquence émise; lorsqu'elle s'éloigne, la fréquence perçue est plus basse. Dans le cas d'un pendule sonore, la source (smartphone) oscille de part et d'autre d'un point d'équilibre, créant un mouvement périodique d'approche et d'éloignement. Pour une source mobile et un observateur fixe, la fréquence apparente f' est liée à la fréquence émise f par la relation f' = f × c/(c − v), où v est la composante de la vitesse de la source dans la direction de l'observateur (positive en approche, négative en éloignement) et c la vitesse du son (environ 343 m/s à 20 °C). Comme la vitesse du pendule (quelques m/s au plus) est très petite devant celle du son, on peut utiliser l'approximation f' ≈ f × (1 + v/c), ce qui donne un décalage Δf ≈ f × v/c. Pour un pendule simple, la vitesse varie continûment: nulle aux extrémités de l'oscillation et maximale au point d'équilibre. Cette variation de vitesse se traduit par une modulation périodique de la fréquence perçue, de même période que le pendule. Si le microphone est placé assez loin, dans le plan d'oscillation, la courbe fréquence-temps est quasi sinusoïdale ; si le microphone est proche de la trajectoire, la courbe se déforme et devient asymétrique, car seule compte la composante de la vitesse dirigée vers le microphone, dont l'évolution dépend alors de la géométrie du montage. L'analyse de cette asymétrie est d'ailleurs une piste de réflexion intéressante pour les élèves. La fréquence maximale est atteinte lorsque le pendule passe au point d'équilibre en s'approchant de l'observateur, et la fréquence minimale lorsqu'il passe au même point en s'éloignant. L'amplitude du décalage Doppler, typiquement de quelques hertz pour un pendule de faible amplitude, permet de calculer la vitesse maximale du pendule et d'illustrer concrètement ce phénomène omniprésent en physique, des radars routiers aux décalages vers le rouge des galaxies lointaines. Pour aller plus loin : l'article « Cinq expériences sur l'effet Doppler avec un smartphone » détaille plusieurs variantes de cette expérience, dont la mesure de la vitesse du pendule par battement acoustique ; le document d'accompagnement Eduscol « Oscillations d'un pendule » propose un protocole voisin avec exploitation Python, adapté à la Terminale.
Extensions possibles
- Utiliser une balançoire comme support pour augmenter l’amplitude du mouvement.
- Comparer les résultats pour différentes longueurs de pendule.
- Étudier l’effet Doppler avec différentes fréquences sonores initiales.
- Enregistrer le son à différentes distances du pendule.
- Comparer l’effet Doppler sonore avec une simulation numérique.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que l'effet doppler ?
L'effet Doppler, découvert par Christian Doppler en 1842, est la variation apparente de fréquence d'une onde perçue par un observateur lorsque la source et l'observateur sont en mouvement relatif.
Comment FizziQ transforme-t-il le microphone en instrument de mesure ?
FizziQ utilise le microphone du smartphone pour mesurer le niveau sonore en décibels, identifier la fréquence fondamentale d'un son et afficher le spectre complet des fréquences. Ces données peuvent être enregistrées et analysées graphiquement.
Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
Cette activité s'inscrit dans la partie « Ondes et signaux » du programme de physique-chimie du lycée, où l'effet Doppler est étudié en enseignement de spécialité. Elle peut être réalisée en TP (1h), en classe inversée ou à la maison. FizziQ permet un travail en autonomie avec un simple smartphone.
Cette activité fait partie de nos ressources sur le son. Pour approfondir la mesure et l'analyse du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme, décibels) et retrouver les douze expériences, consultez notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.
Prêt à commencer ?
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