Efecto Doppler
Efecto Doppler
Mesurer la vitesse d’un véhicule gracias a l’efecto Doppler sonore
Lorsque qu’un véhicule passe devant un observateur, le son qu’il émet semble changer de hauteur. Ce phénomène est familier lorsque l’on écoute une sirène ou un klaxon : le son paraît plus aigu à l’approche et plus grave lorsqu’il s’éloigne. Cette variation est appelée efecto Doppler, du nom du physicien Christian Doppler qui l’a décrit au XIXᵉ siècle. Ce phénomène ne concerne pas seulement les sons, mais aussi la lumière et d’autres types d’ondes. Aujourd’hui, l’efecto Doppler est utilisé dans de nombreux domaines, notamment dans les radars routiers pour mesurer la vitesse des véhicules ou en médecine pour analyser la circulation sanguine. Dans esta actividad, l’élève analyse un enregistrement sonore d’un véhicule en mouvement. En comparant les fréquences mesurées avant et après le passage du véhicule, il calcule le décalage de fréquence et en déduit la vitesse du mobile. Este experimento permet de relier une perception auditive quotidienne à une méthode scientifique de mesure.
Visão geral da atividade:
El alumno analiza l'enregistrement sonore d'un véhicule en mouvement con la ayuda des outils spectraux de FizziQ pour détecter le changement de fréquence causé par l'efecto Doppler. Actividad adaptada al liceo.
FizziQ
Autor:
Duração (minutos):
O que os alunos farão:
'- Poner en evidencia l’efecto Doppler à partir d’un enregistrement sonore
- Identifier des variations de fréquence dans un spectre sonore
- Calculer un décalage de fréquence relatif
- Déterminer la vitesse d’un véhicule à partir de mesures expérimentales
- Relier un phénomène acoustique à une application technologique réelle
Conceitos científicos:
'- Efecto Doppler
- Fréquence sonore
- Propagation des ondes sonores
- Décalage fréquentiel
- Vitesse relative
- Analyse spectrale
- Compression et dilatation des ondes
- Mesure indirecte d’une vitesse
Sensores:
'- Micrófono
Materiais necessários:
'- Smartphone o tableta con la aplicación FizziQ (ou une application équivalente comme phyphox permettant l'analyse de la fréquence d'un son avec un smartphone)
- Enregistrement sonore "Efecto Doppler" disponible dans la bibliothèque de sons
- Éventuellement un enregistrement personnel d’un véhicule en mouvement
- Cahier d’expérience pour noter les observations
Procedimento experimental:
1. Tu as surement constaté que le bruit de una voiture était más aigu quand elle vient vers toi que quand elle s'éloigne de toi. C'est l'efecto Doppler. Peut-on calculer gracias a cet effet la velocidad de un véhicule à partir du bruit qu'elle créée ?
2. Pour este experimento nous avons besoin de l'registrament de un sonido émis par un mobile en mouvement, comme por ejemplo le klaxonne de una voiture quand elle passe devant toi.
3. Tu peux créer toi même cet registrament mais, en attendant, tu peux utiliser un registrament qui se trouve en la biblioteca de sonidos en la pestaña Herramientas.
4. Ecoute l'registrament appelé Effet Doppler. ¿Qué observas ? ¿Puedes expliquer ce fenómeno théoriquement ?
5. Registra y compara le espectro sonoro du klaxon avant y après que la voiture soit passée devant l'observateur. Constates-tu une différence sobre la frecuencia des pics ?
6. Calcula ce décalage en pourcentage de la valeur de la frecuencia para plusieurs pics de frecuencia ? ¿Puedes en déduire la velocidad de la voiture ?
7. Nous aimerions faire une mide más précise, ¿puedes utiliser la mide de la amplitud du signal sonore para calculer más précisément la velocidad de la voiture ?
8. Documenta tus résultats en ton cuaderno de experiencias. Le véhicule est-il une voiture o un vélo ?
Resultados esperados:
Le spectre sonore montre une fréquence plus élevée lorsque le véhicule s’approche de l’observateur. Après le passage du véhicule, la fréquence observée devient plus basse. Cette différence entre les deux valeurs constitue le décalage Doppler. Le calcul du décalage relatif permet d’estimer la vitesse du véhicule. Une variation de quelques pourcents entre les fréquences correspond généralement à une vitesse modérée. Des erreurs peuvent apparaître si le signal sonore est bruité ou si l’identification des pics fréquentiels est imprécise.
Questões científicas:
'- Pourquoi le son devient-il plus aigu lorsque la source s’approche ?
- Pourquoi la fréquence diminue-t-elle lorsque la source s’éloigne ?
- Comment la vitesse du véhicule influence-t-elle le décalage de fréquence ?
- Pourquoi l’efecto Doppler dépend-il de la velocidad del sonido ?
- Quels facteurs peuvent perturber la mesure du décalage fréquentiel ?
- Comment cette méthode est-elle utilisée dans les radars de vitesse ?
Explicações científicas:
L'efecto Doppler es la variation apparente de frecuencia de una onde perçue par un observateur cuando la source de l'onde 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 (son más aigu); lorsqu'elle s'éloigne, la frecuencia perçue es más basse (son más grave). Cette variation s'explique par la compression o l'étirement des ondes sonores. Mathématiquement, para une source en mouvement y un observateur fixe, la relation est: f' = f × (c/(c-v)), où f' es la frecuencia perçue, f la frecuencia émise, c la velocidad del sonido (environ 343 m/s à 20°C) y v la velocidad de la source. À partir de cette formule, on peut isoler v: v = c × (1-f/f'). L'analyse con FizziQ utilise le spectre de frecuencias para mesurer précisément les frecuencias avant y après passage. Le décalage fréquentiel Δf/f es proporcional au rapport v/c para de faibles vitesses. Par exemple, un décalage de 3% correspond à une vitesse d'environ 10 m/s (36 km/h). L'amplitude du signal peut également aider à déterminer l'instant précis où le véhicule passe devant l'observateur. Cette technique es utilisée par les radars Doppler para mesurer la velocidad des véhicules, mais con des ondes électromagnétiques plutôt que sonores.
Atividades de extensão:
'- Réaliser un enregistrement réel d’un véhicule passant devant un observateur
- Comparer l’efecto Doppler pour différents types de véhicules
- Étudier l’efecto Doppler avec une source sonore mobile dans une salle
- Comparer plusieurs enregistrements pour différentes vitesses
- Étudier l’efecto Doppler avec des sons de fréquences différentes
Perguntas frequentes:
Q: ¿Qué es l’efecto Doppler ?
R: L’efecto Doppler est la variation apparente de fréquence d’une onde due au mouvement relatif entre la source et l’observateur.
Q: ¿Por qué la fréquence est-elle différente avant et après le passage ?
R: Les ondes sont comprimées lorsque la source s’approche et étirées lorsqu’elle s’éloigne.
Q: ¿Por qué utilise-t-on un spectre sonore ?
R: Le spectre permet d’identifier précisément les fréquences présentes dans le signal.
Q: ¿Se puede mesurer la vitesse avec précision gracias a cette méthode ?
R: Oui, si les fréquences sont mesurées précisément et si les conditions expérimentales sont bien contrôlées.
Q: ¿Quéle est la velocidad del sonido utilisée dans les calculs ?
R: À température ambiante, la velocidad del sonido dans l’air est d’environ 343 m/s.
Q: Cette méthode est-elle utilisée dans la réalité ?
R: Oui, les radars Doppler utilisent un principe similaire pour mesurer la vitesse des véhicules.