Synthèse de Fabien

Fabien DÉCHERY
1er S1
TPE :
ÉTUDE DE LA SPECTROSCOPIE
Introduction :
Notre TPE, basé sur le thème de la validation ou de
l’invalidation d’une théorie avec pour expérience cruciale,
l’exemple de la lumière, tentera de répondre à la
problématique suivante :
- Quelles informations nous est-il possible de déduire à
partir de l’analyse de la lumière qu’un objet émet ?
Dans le but de cerner cette problématique, nous mettrons
préalablement en relief les différentes natures de la lumière.
La nature corpusculaire de la lumière impose l’enracinement
de notre étude dans le domaine de la spectroscopie.
En effet, selon la théorie corpusculaire de Newton, la
dispersion des couleurs dans un prisme résulte de la différence
de masse des particules de lumière. La spectroscopie, cette
capacité à pouvoir décomposer la lumière en un spectre, va
nous permettre une analyse précise de toutes les informations
mises à notre disposition.
La spectroscopie sera donc l’objet d’étude de notre TPE.

La seconde nature de la lumière, la nature ondulatoire, sera
caractéristique de ma partie de ce TPE et mise en relief par
mon étude de l’effet DOPPLER-FIZEAU.
Ce phénomène propre à l’Astrophysique est une source
d’information clef et rentre par conséquent dans le cadre de la
problématique.
Mon rôle dans ce travail commun se limitera à une étude de
l’effet DOPPLER-FIZEAU et des différentes informations
déductibles.
Je présenterai donc cet effet, d’abord d’un point de vue
strictement historique, en tenant compte de l’évolution des
théories et des expériences qui ont mené les physiciens à cette
découverte. Puis, j’effectuerai une expérience, en modélisant
le phénomène étudié avant d’entrer dans l’explication du
principe.
Dans une seconde partie, je mettrai en relief l’importance de
cette source d’information et l’enjeu majeur qu’elle constitue
en astronomie, en démontrant dans un premier temps, son
utilité en spectrohéliographie pour mettre en évidence la
rotation solaire. Dans un second temps, en élargissant le
champ d’étude aux étoiles en général, nous verrons comment
ce phénomène rend compte du mouvement relatif des étoiles
par rapport à l’observateur, et traduit l’agitation thermique des
particules à l’intérieur de la source.
Enfin, par l’étude des spectres galactiques, nous verrons
comment les applications de l’effet DOPPLER-FIZEAU
dépassent l’astronomie pour atteindre la cosmologie, en
constituant une source d’information clef pour déduire
l’évolution de l’univers.

PLAN T.P.E. PARTIE 3 :
L’effet DOPPLER-FIZEAU
I- Présentation de l’effet DOPPLER-FIZEAU :
A/ Historique : Christian Doppler et Hippolyte Fizeau ;
B/ Vérification expérimentale : buzzer en rotation ;
C/ Explication de principe : compression et décompression des
ondes ;
II- Une source d’information majeure en astronomie :
A/ Application de l’effet en spectrohéliographie (soleil) :
rotation solaire ;
B/ L’effet Doppler-Fizeau en spectroscopie (étoiles) :
mouvement relatif des étoiles par rapport à l’observateur, et
agitation thermique des particules a l’intérieur de la source.
C/ Une source d’information clef pour déduire l’évolution de
l’univers : mouvement de recession des galaxies, loi de
Hubble, expansion de l’univers.

I- Présentation de l’effet DOPPLER-FIZEAU
A/ Historique
C’est le physicien autrichien Christian DOPPLER qui expliqua en
1842 que notre perception de la hauteur d’un son est altérée par le
mouvement relatif de la source sonore par rapport à l’observateur.
Il publia un article décrivant ce phénomène.
Trois ans plus tard, une expérience confirma sa théorie :
15 trompettistes furent placés dans un train et les expérimentateurs se
placèrent au bord de la voie. Quand le train arriva, les trompettes
retentirent et la hauteur des sons émis sembla diminuer quand le train
fut passé, comme l’avait prédit la théorie de DOPPLER.
Il suggéra alors que les couleurs des étoiles pourraient être dues à un
effet de ce type, affectant leur lumière. Mais en 1848, le physicien
français Hippolyte. FIZEAU montra que les vitesses des étoiles sont
beaucoup trop faibles par rapport à la vitesse de la lumière pour
provoquer une modification appréciable de leurs couleurs. Il en
conclut que l’on pouvait en revanche espérer détecter de faibles
variations de longueurs d’ondes des raies dans leurs spectres.
Cette conclusion fut vérifiée avec succès par l’astronome anglais W.
HUGGINS qui en 1868 réalisa une expérience visant à mesurer le
décalage des raies de l’hydrogène dans le spectre de Sirius. Il en
déduisit que Sirius s’éloigne du soleil à une vitesse de l’ordre de 45
Km. s-1.
B/ Vérification expérimentale
Afin d’illustrer ma part de ce TPE par une expérience, il est probable
que j’effectue une vérification expérimentale du phénomène.
Cependant la vitesse des ondes électromagnétiques (300 000 Km.s-1
dans le vide rend impossible toute observation “naturelle“, car un
matériel de haute précision nous serait nécessaire.

Mais nous savons qu’il existe une similitude entre la propagation des
ondes sonores et électromagnétiques.
Une modélisation de l’effet DOPPLER-FIZEAU pourra donc se
restreindre à l’observation de la propagation d’ondes sonores.
Ainsi, cette modélisation consistera en la mise en rotation d’un buzzer
ou d’une quelconque source d’émission sonore constante.
Aussi, pour faciliter la compréhension du phénomène, il m’est
possible de donner l’exemple de “ la voiture qui passe“.
Cette expérience aura pour but d’introduire le sous-chapitre suivant,
destiné à l’explication du phénomène de compression et de
décompression des ondes (sonores et lumineuses).
C/ Explication du principe
Le phénomène est observable dans la vie de tous les jours :
l’expérience consiste à écouter, au bord d’une route, le bruit d’une
voiture qui passe. Le son est plus aigu quand la voiture s’approche et
plus grave quand elle s’éloigne.
Cet exemple nous montre bien que toute personne a déjà été témoin,
sans même le savoir, de cet effet DOPPLER-FIZEAU.
En fait, cette altération de notre perception du son résulte de la
compression et de la décompression des ondes sonores, une
conséquence du mouvement relatif de la source sonore par rapport à
l’observateur.
Quand une source sonore se rapproche de l’observateur, il y a une
compression des ondes sonores ; la longueur d’ondes est plus courte et
le son émis plus aigu.
Par contre, quand une source sonore s’éloigne d’un observateur, il y a
une décompression des ondes sonores ; la longueur d’ondes est plus
longue et le son émis plus grave.
L’effet découvert par DOPPLER sur le son fut étendu à la lumière par
le physicien français Hippolyte FIZEAU en 1848.
On comprend que ce qui est vrai pour le son est vrai pour la lumière :
le grave correspond au rouge, l’aigu au bleu.