Péndulo sonoro

Etude de l'efecto Doppler pour un pendule sonore ou une balançoire

Lorsque qu’une ambulance passe devant nous, le son de sa sirène semble plus aigu lorsqu’elle s’approche et plus grave lorsqu’elle s’éloigne. Ce phénomène bien connu est appelé efecto Doppler. Il résulte du mouvement relatif entre une source sonore et un observateur. Ce phénomène ne concerne pas seulement les sirènes, mais aussi les ondes lumineuses observées en astronomie ou les ultrasons utilisés en médecine. Dans esta actividad, un smartphone émet un son tout en étant suspendu à une ficelle comme un pendule. En oscillant, la source sonore s’approche puis s’éloigne périodiquement de l’observateur. L’élève analyse les variations de fréquence enregistrées et observe une modulation caractéristique liée au mouvement du pendule. Este experimento permet de relier un phénomène sonore concret à un modèle physique fondamental des ondes.

Learning objectives:

El alumno estudia les variations de fréquence d'un son émis par un smartphone suspendu en mouvement de pendule ou utilise l'enregistrement 'Effet Doppler Pendule' de la bibliothèque de FizziQ. Actividad adaptada al liceo.

FizziQ

Autor:

Duración:

30-50 minutos

Lo que harán los estudiantes:

'- Poner en evidencia expérimentalement l’efecto 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

Conceptos científicos:

'- Effet Doppler
- Fréquence sonore
- Mouvement pendulaire
- Vitesse relative
- Période d’oscillation
- Analyse spectrale
- Ondes sonores
- Vitesse du son dans l’air

Sensores:

'- Micrófono

What is required:

Smartphone con la aplicación FizziQ; Fil ou ficelle pour suspendre un smartphone (option 1); Enregistrement 'Effet Doppler Pendule' de la bibliothèque de sons (option 2); Cuaderno de experiencias FizziQ

Procedimiento experimental:

Aucune information supplémentaire n'est disponible

Resultados esperados:

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 micrófono, 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 micrófono capte des bruits parasites.

Preguntas científicas:

'- 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 este experimento ?

Explicaciones científicas:

L'effet Doppler, découvert par Christian Doppler en 1842, es la variation apparente de frecuencia de una onde perçue par un observateur cuando la source y l'observateur sont en mouvement relatif. Pour une source sonore s'approchant de l'observateur, la frecuencia perçue es más élevée que la frecuencia émise; lorsqu'elle s'éloigne, la frecuencia perçue es más basse. Dans le cas de un penduel sonidoore, la source (smartphone) oscille de part y d'autre de un point d'équilibre, créant un mouvement périodique d'approche y d'éloignement. La frecuencia apparente f' es liée à la frecuencia émise f par la relation: f' = f × (1 + v/c), où v es la composante de la velocidad de la source en la direction de l'observateur (positive en approche, négative en éloignement) y c la velocidad del sonido (environ 343 m/s à 20°C). Pour un péndulo simple, la velocidad varie continûment: nulle aux extrémités de l'oscillation y maximale au point d'équilibre. Cette variation de vitesse se traduit par une modulation de la frecuencia perçue, créant un motif caractéristique "montée-descente" de la frecuencia. L'asymétrie observée en la courbe de frecuencia s'explique par deux facteurs principaux: 1) La projection de la velocidad du pendule vers l'observateur n'est pas sinusoïdale mais dépend de la position de l'observateur; 2) La relation entre vitesse y frecuencia n'est pas linéaire mais fractionnaire, ce qui accentue les variations. Connaissant la frecuencia de base f y la amplitud maximale du décalage Δf, on peut calculer la velocidad maximale du pendule: v_max = c × Δf/f. Si la frecuencia émise es 1000 Hz y que la variation maximale observée es de ±3 Hz, la velocidad maximale du pendule es d'environ 1 m/s. Este experimento illustre un fenómeno également observé en de nombreux contextes: sirènes d'ambulance qui passent, effet Doppler astronomique, y même imagerie médicale par échographie Doppler.

Actividades de ampliación:

'- Utiliser une balançoire comme support pour augmenter l’amplitude du mouvement.
- Comparer les résultats pour différentes longueurs de pendule.
- Étudier l’efecto Doppler avec différentes fréquences sonores initiales.
- Enregistrer le son à différentes distances du pendule.
- Comparer l’efecto Doppler sonore avec une simulation numérique.

Preguntas frecuentes:

Q: ¿Qué es l'efecto Doppler ?
R: L'efecto 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.

Q: ¿Cómo FizziQ transforme-t-il le micrófono en instrument de mesure ?
R: FizziQ utilise le micrófono du smartphone pour mesurer le nivel sonoro en décibels, identifier la frecuencia fundamental d'un son et afficher le spectre complet des fréquences. Ces données peuvent être enregistrées et analysées graphiquement.

Q: ¿Cómo intégrer esta actividad dans un cours de physique au lycée ?
R: Esta actividad s'inscrit dans le programme de ondes sonores du lycée. Elle peut être réalisée en TP (1h), en classe inversée ou à la maison. FizziQ permet un travail en autonomie avec un simple smartphone.