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Experiment with FizziQ
De nombreuses expériences réalisables avec un smartphone permettent de mettre en évidence l'effet Doppler. Voici deux expériences réalisables facilement en classe ou en continuité pédagogique pour mettre en évidence et mesurer l'effet Doppler :
Mesurer la vitesse d'une source sonore par effet Doppler : https://www.fizziq.org/outils
Analyse des variations de la fréquence émise par un pendule sonore : https://www.fizziq.org/team/pendule-sonore
Experiment with FizziQ
L'effet Doppler a été nommé d'après le physicien autrichien Christian Doppler (1803-1853), qui a formulé les principes de cet effet en 1842 dans un article intitulé "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" (Sur la lumière colorée des étoiles binaires et de quelques autres étoiles du ciel). Doppler a remarqué que la fréquence de la lumière émise par une étoile en mouvement par rapport à la Terre serait modifiée en fonction de la vitesse de cet astre par rapport à nous. Il a également appliqué ces idées à la lumière des étoiles binaires, ce qui a conduit à la découverte de l'effet Doppler.
Ce phénomène est observé lorsque la source d'une onde (comme le son ou la lumière) et un observateur se déplacent l'un par rapport à l'autre. Cet effet entraîne un changement perçu dans la fréquence de l'onde :
- Si la source de l'onde se rapproche de l'observateur, les ondes sont comprimées, ce qui augmente la fréquence perçue (et diminue la longueur d'onde). Dans le cas du son, cela se traduit par un son plus aigu.
- Si la source de l'onde s'éloigne de l'observateur, les ondes sont étirées, ce qui diminue la fréquence perçue (et augmente la longueur d'onde). Pour le son, cela se traduit par un son plus grave.
La formule pour calculer l'effet Doppler dépend du contexte (sonore ou lumineux) et de la relativité de la vitesse entre la source et l'observateur. Pour les ondes sonores dans un milieu comme l'air, la formule est la suivante :
f' = f*(v+vo)/(v+vs)
avec f' la fréquence perçue par l'observateur, f la fréquence de la source, v la vitesse de propagation de l'onde, vo la vitesse de l'observateur par rapport au milieu (positif s'il s'approche de la source) et vs la vitesse de la source par rapport au milieu (positif si elle s'éloigne de l'observateur).
Pour les ondes lumineuses, en particulier dans un contexte astronomique, la formule est légèrement différente en raison de la vitesse relativement élevée des objets concernés. Elle tient compte de la relativité spéciale si la vitesse est une fraction significative de la vitesse de la lumière.
L'effet Doppler a une gamme d'applications étendue et fascinante qui transcende divers domaines scientifiques et pratiques. En astronomie, il est essentiel pour étudier le mouvement et les propriétés des étoiles et des galaxies ; l'observation du décalage vers le rouge ou le bleu de la lumière émise par ces corps célestes nous renseigne sur leur vitesse et direction par rapport à la Terre. Cette méthode est cruciale pour comprendre l'expansion de l'univers et a aidé à la formulation de théories cosmologiques telles que le Big Bang.
Dans le domaine médical, l'effet Doppler est utilisé dans l'échographie Doppler pour visualiser le flux sanguin à travers les veines et les artères, offrant aux médecins une vue détaillée de la circulation sanguine et permettant la détection précoce de conditions telles que les thromboses veineuses.
En météorologie, les radars Doppler analysent les modèles de précipitations et de vents, jouant un rôle crucial dans la prévision et le suivi des tempêtes et des phénomènes météorologiques extrêmes.
Enfin, dans la vie quotidienne, l'effet Doppler est observable dans le changement de tonalité d'une sirène d'ambulance lorsqu'elle se rapproche puis s'éloigne, illustrant de manière auditive ce principe fascinant de la physique.