TP 5

Term S PHYSIQUE
TP n° 5
MESURES DE VITESSES PAR EFFET DOPPLER
A- ONDES SONORES
Une auto se déplace à une vitesse constante u ( dans le référentiel terrestre ) en klaxonnant.
Un microphone, fixe sur le sol, enregistre le son du klaxon quand l' auto se rapproche puis s' éloigne.
Problème à résoudre : A quelle vitesse u l' auto est-elle passée devant le microphone ?
Matériel : Ordinateur, logiciels REGAVI et REGRESSI, fichier-son " Son_Doppler_KangooMG.wav "
dans le dossier de classe TS...\ Doc \ Physique-Chimie.
Document 1 : Utilisation des logiciels REGAVI et REGRESSI

Ouvrir le fichier-son à étudier

Dans la partie supérieure de la fenêtre, il apparaît la courbe représentant la pression acoustique en
fonction du temps, pour la totalité du fichier enregistré.
Dans la partie inférieure, on obtient la même courbe pour la partie du fichier comprises entre les 2
curseurs verticaux ( de la partie supérieure ).
Rapprocher l' un de l' autre ces 2 curseurs afin de ne garder qu' une durée d' environ 100 ms du son
enregistré.

Cliquer sur le bouton " Transfert vers Régressi " pour obtenir le graphe dans le logiciel REGRESSI.

Pour étudier une autre portion ( de durée 100 ms environ ) du fichier-son, la sélectionner dans
REGAVI, puis transférer dans une nouvelle page de REGRESSI.

Le bouton Spectres de REGRESSI permet de trouver rapidement la fréquence fondamentale précise
( 1 Hz près ) du son reçu par le microphone. Le klaxon donne un son dont la fréquence fondamentale
se situe aux environs de 500 Hz.
Document 2 : Décalage en fréquence et vitesses
Notations : v : célérité des ondes sonores dans l' air
( v = 3,3 . 10 2 m/s dans les contions de l' expérience )
u : vitesse ( en valeur absolue ) de la source par rapport au récepteur ( u << v )
fR1 : fréquence mesurée par le récepteur quand la source se rapproche
fR2 : fréquence mesurée par le récepteur quand la source s' éloigne
Le décalage en fréquence ∆f est donné par : ∆f = fR1 – fR2 =
u
. ( fR1 + fR2 )
v
Term S PHYSIQUE
TP n° 5
B – ONDES LUMINEUSES
L' application de l' effet Doppler aux ondes lumineuses a eu des conséquences très importantes en
astrophysique : loi de Hubble énoncée dès 1929, et plus récemment la détection des exoplanètes.
Détection d' une exoplanète
L'observation directe d'une planète extrasolaire est très
difficile : la lumière en provenance de son étoile
éblouit la caméra et empêche, sauf cas rares, de voir la
planète. Par contre, il est possible de voir les effets de
la révolution d'une planète autour de son étoile. En
effet, pendant que la planète fait le tour de son étoile
(1 an pour la Terre autour du Soleil), cela induit un
léger déplacement de l’étoile car elle tourne autour du
centre de gravité de l’ensemble {étoile-exoplanète}.
Cet effet est détectable à l'aide de la spectroscopie
grâce à l' EFFET DOPPLER, en étudiant le spectre de
l’étoile.
Exoplanète
Etoile
voir l' animation Spectroradial.gif dans le dossier de
la
classe.
Dans la direction de visée depuis la Terre, on mesure alors un décalage ∆λ en longueur d' onde d' une raie
du spectre d' absorption de l' étoile ( λ ) par rapport à la même raie d' absorption du même élément sur le
spectre du Soleil ( λ0 ) .
∆λ
u
Le décalage ∆λ = λ – λ0 est lié aux vitesses par la relation :
=
λ0
c
u : vitesse de l' étoile dans la direction d' observation
c : célérité de la lumière ( c = 3,00 . 10 8 m/s )
C' est ainsi que la première exoplanète a été découverte à l’Observatoire de Haute Provence, par une
équipe de deux astronomes Suisses, Michel Mayor et Didier Queloz, en octobre 1995.
En orbite autour de l’étoile 51 Pegasi ( dans la constellation de Pégase ), cette exoplanète est nommée
51 Pegasi B.
L' étoile 51 Pegasi se trouve à 48 années-lumière de nous, c’est une étoile du même type que notre Soleil,
très légèrement plus massive, et âgée de 7,5 milliards d’années. La planète trouvée est une géante
gazeuse, mais située à seulement 7,5 millions de km de l’étoile, dont elle fait le tour en 4,23 jours. Cette
grande proximité lui confère une température de l’ordre de 1 200 K. La découverte ultérieure d’autres
planètes du même genre a obligé à créer un nom pour cette classe d’objets : les Jupiter chauds.
1) Rappeler l' origine des raies d' absorption du spectre d' une étoile.
2) Pour une longueur d' onde de référence λ0 = 588,995 0 nm ( dans le spectre du sodium ), on mesure un
décalage, à l' instant t1 , ∆λ1 = + 0,045 6 nm et à l' instant t2 , ∆λ2 = – 0,0136 nm.
Déterminer les vitesses radiales u1 et u2 à ces 2 instants.
3) A quel instant, le spectre est-il décalé vers le rouge ? vers le bleu ?
A quel instant, l' étoile s' approche-t-elle de la Terre ? s' en éloigne-t-elle ?
Loi de Hubble
En 1929, l' astronome américain Edwin Hubble énonce une loi selon laquelle les galaxies s' éloignent
les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Cette loi est une conséquence du
" redshift " observé sur la plupart des spectres des galaxies.
>> Qu' est-ce qu' une galaxie ?
>> Que peut signifier le mot " redshift " ? Expliquer son lien avec " l' expansion de l' Univers ".