Semaine du 30 septembre au 5 octobre 1996

TP n°10
TP de Physique
Terminale S
Effet Doppler
I)
Objectifs
 A l’aide de l’effet Doppler mesurer la vitesse d’une voiture qui s’éloigne.
 Enregistrer le son émis par un émetteur et en déduire sa vitesse par effet Doppler
 Calculer la vitesse radiale de l’Etoile HD 2665 et déterminer la distance de cette Etoile HD 2665
II) Compétences
 Rechercher, extraire, exploiter l’information utile
 Mettre en œuvre une démarche expérimentale*
 Modéliser
 être autonome
III) Effet Doppler : Onde Sonore
1) Mise en évidence qualitative :
On a effectué l’enregistrement du son d’un klaxon d’une voiture à l’arrêt puis en mouvement
On écoute le son émis par un klaxon d’un véhicule à l’arrêt puis on écoute le son reçu par un observateur immobile
au bord de la route quand le véhicule s’approche puis s’éloigne.
La différence est perceptible, on a un décalage en fréquence du son. Le son parait plus aigu quand le véhicule
s’approche qu’à l’arrêt.
Le signal sonore enregistré, quand le véhicule est à l’arrêt ou en mouvement est un signal périodique complexe qui
peut-être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux grâce à l’analyse de Fourrier.
2) Données
 On considérera que la vitesse du son est Vson = 341 ms-1.
 L’étude de l’effet Doppler permet de déterminer les relations suivantes :
Vsource  Vson .

(f approch  f éloign )
(f approch  f éloign )
(Re lation 1) et Vsource  Vson .
(f source  f reçue )
f source
(Re lation 2)
L’effet Doppler affecte toutes les harmoniques d’un son de la même manière. Ainsi, dans ces formules, les
fréquences freçue, féloign ou fapproch peuvent correspondre à la fondamentale ou bien aux autres harmoniques.
3) Travail n°1 : Vitesse d’une voiture
A l’aide du logiciel Audacity et des fichiers son voiture arret et son voiture mvt
a) Déterminer les fréquences (Fondamentales et harmoniques) des différents sons émis par la voiture qui
s’approche.
émetteur en approche
Fréquence émise Fréquence reçue Vémetteur (km.hVMoyenne
Ecart relatif
1)
Fondamentale f1
Harmonique f2
Harmonique f3
Harmonique f4
b) Refaire les mesure quand la voiture s’éloigne.
émetteur en approche
Fréquence émise Fréquence reçue
Vémetteur (km.h1)
Fondamentale f1
Harmonique f2
Harmonique f3
VMoyenne
Ecart relatif
Harmonique f4
IV) Effet Doppler-Fizeau : Astronomie
1) Rappeler la relation entre longueur d’onde et fréquence dans le cas des ondes électromagnétiques.
2) Adapter la relation (2) en termes de longueur d’onde dans le cas d’une source de lumière en mouvement.
3) Montrer que la relation entre le décalage  et la vitesse v dans la direction d’observation de l’étoile est donné
v 
par :
.
Avec c (vitesse de la lumière)= 3,00x105 km.s-1

c 0
4) Comment, en mesurant les longueurs d’onde des raies d’absorption d’un même élément chimique présent dans le
spectre du Soleil supposé fixe par rapport à la Terre et dans le spectre d’une étoile en mouvement, peut-on
déterminer la vitesse relative de l’étoile ?
5) A l’adresse
http://atlas.obs-hp.fr/elodie/E.cgi?c=i&z=vs&o=elodie:19961003/0017
- Afficher le profil spectral de l’étoile HD 2665 (étoile géante dans la constellation de Cassiopée).
HD : catalogue Henry Draper HD 1 à HD 225300
- Rechercher sur le profil spectral (en zoomant à l’aide du bouton ‘replot’)
 la longueur d’onde de la raie H de l’hydrogène dont la valeur de référence est 656,2 nm
 la longueur d’onde de la raie H de l’hydrogène dont la valeur de référence est 486,1 nm
Expliquer pourquoi la valeur trouvée est différente de celle de référence.
6) En déduire la vitesse radiale de cette étoile par rapport à la Terre.
7) Quel est le mouvement de cette étoile par rapport à la Terre
8) Porter un regard critique sur la valeur trouvée sachant qu’une mesure plus précise donne vHD2665= -379 km.s-1.
9) L’astronome américain Edwin Hubble (1889-1953) a observé un déplacement global de l’Univers vers le rouge
(« redshift »). Qu’a-t-il pu en conclure ?
10) A partir de ses mesures de déplacement vers le rouge, Hubble a énoncé une loi suivant laquelle une galaxie
s’éloigne de nous avec une vitesse qui est directement proportionnelle à sa distance d qui la sépare de nous :
v=Hd
La valeur actuelle de la constante H de Hubble est 73 km.s-1.Mpc-1
(1 Mpc =1 mega parsec=3,26 millions d’années-lumière).
Estimer la distance qui nous sépare de l’étoile HD 2665.
Notation usuelle
Hα
Hβ
λ en nm
656,3
486,1
vHD2665
DHD2665