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Thème : Ondes et particules
Partie : Caractéristique et propriété des ondes
Cours 10 : l’effet Doppler-Fizeau
I.
La description de l'effet Doppler
1. Définition
L'effet Doppler est le phénomène physique caractérisé par un changement apparent de la fréquence
d'un signal dû à l'existence d'une vitesse relative entre l'émetteur du signal et le récepteur.
2. Illustration
Sans le savoir, nous sommes témoins de ce phénomène lorsqu’une ambulance roule dans notre
direction et que nous sommes immobiles : le son de la sirène paraît plus aigu (fréquence plus élevée)
lorsque le véhicule se rapproche de nous et plus grave lorsqu’elle s'éloigne (la fréquence est alors plus
faible). C’est C. Doppler qui prévu ce phénomène en 1842, il fut par la suite en 1845 confirmé par C.
Buys-Ballot.
Obs. 1
Si l'émetteur et le récepteur :
 se rapprochent, alors la
fréquence augmente.
 s'éloignent, alors la
fréquence diminue.
 sont immobiles, alors la
fréquence reste la
même.
Obs. 2
On constate en effet que :
-
lorsque l’émetteur ainsi que les observateurs 1 et 2 sont immobiles alors ces deux derniers
perçoivent des ondes de même longueur d’onde λ.
lorsque l’émetteur se déplace alors les longueurs d’ondes évoluent et ne sont plus égales.
Ainsi, dans le cas où l’émetteur se déplace à une vitesse 𝑣𝐸 vers l’observateur 1, l’observateur 1
percevra une onde de longueur d’onde : 𝜆1 < 𝜆 alors que la longueur d’onde de l’onde perçue par
l’observateur 2 sera : 𝜆2 > 𝜆
La vitesse 𝑣 de l’onde dans le milieu de propagation étant positive, on a :
Par conséquent puisque 𝑓 =
𝑣
𝜆
:
𝜆1
𝑣
<
𝜆
𝑣
et
𝜆2
𝑣
>
𝜆
𝑣
𝑓1 > 𝑓𝐸 et 𝑓2 < 𝑓𝐸 ce qui explique que lorsque l’émetteur
s’approche de l’observateur le son de la sirène est perçu plus aigu alors que lorsque l’émetteur
s’éloigne de l’observateur le son est perçu plus grave.
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Explication courte et simple du phénomène grâce à cette vidéo :
https://www.youtube.com/watch?v=Ki86Apbro40
II.
Utilité de l’effet Doppler
L’effet Doppler constitue une méthode de mesure de vitesses.
La variation de la fréquence de l'onde dépend de la vitesse relative entre l'émetteur et le récepteur
ainsi que de la célérité de l'onde, c’est-à-dire du milieu de propagation. L'effet Doppler permet ainsi
de déterminer la vitesse de déplacement de sources d'ondes mécaniques ou électromagnétiques à
partir de la mesure de la fréquence perçue par l’observateur.
𝑣𝐸 = 𝑣.
|𝑓𝑅 − 𝑓𝐸 |
𝑓𝑅
𝑓𝐸 désigne la fréquence de l’onde émise par un émetteur en 𝐻𝑧
𝑓𝑅 désigne la fréquence de l’onde perçue par un observateur immobile en 𝐻𝑧
𝑣 désigne la valeur de la vitesse de propagation de l’onde (dépendant du milieu de propagation de
l’onde) en 𝑚. 𝑠 −1
𝑣𝐸 désigne la vitesse de déplacement de l’émetteur
III.
Différents domaines d’application de l’effet Doppler
1. Dans le domaine de l’imagerie médicale
La vitesse de l'écoulement sanguin ainsi que la direction des flux de sang dans ces mêmes vaisseaux
peuvent être mesurée dans le cas d'une échographie Doppler.
2. Dans le cas des radars autoroutiers.
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La vitesse des véhicules peut être déterminée grâce à des radars autoroutiers utilisant l’effet Doppler
avec des ondes électromagnétiques. Cependant, leur fonctionnement est différent puisque le radar
est à la fois émetteur et récepteur.
3. L’effet Doppler – Fizeau en astronomie
Jusqu’alors conçue pour les phénomènes acoustiques, H. Fizeau s’avisa de l’appliquer au domaine des
radiations électromagnétiques en 1848.
L’effet Doppler permet ainsi de calculer la valeur de la vitesse radiale d'une étoile grâce aux
déplacements des raies d'absorption dans le spectre de la lumière émise par cette étoile. On peut en
effet observer un décalage entre les longueurs d’onde de son spectre d’absorption et celles de son
spectre de référence.
Rappel : La vitesse radiale d’une étoile est la vitesse à laquelle elle s’éloigne ou se rapproche de la
Terre.
Par conséquent, lorsqu’une source se rapproche de l’observateur, la fréquence du rayonnement
lumineux augmente (donc la longueur d’onde apparente diminue), sa lumière se déplace vers la partie
bleue du spectre visible et l’on nomme ce décalage vers le bleu « blueshift ». Inversement, si la source
s’éloigne, la fréquence perçue du rayonnement diminue (donc sa longueur d’onde augmente) et la
lumière est décalée vers le rouge ce que l’on nomme « redshift ».
Remarque : c’est notamment grâce à cette application de l’effet Doppler-Fizeau que l’astronome
américain Hubble mit en évidence en 1929 l’expansion de l’univers. Hubble avait en effet observé un
décalage vers le rouge presque systématique du spectre des étoiles.
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