Etude expérimentale de l`effet Doppler f

Etude expérimentale de l'effet Doppler
Logiciels utilisés : l'Atelier Scientifique ; une Règle d'écran
I - Effet Doppler sur une cuve à ondes :
Visionner la vidéo « DOPPLER.avi ».
Dans cette vidéo, un stylet pulse de l'air au dessus de la surface de l'eau, générant des
ondes à la fréquence f = 18 Hz.
1- Pointage sur vidéo du mouvement du stylet :
A l'aide de l'Atelier Scientifique ( et de la fiche d'aide http://laboiteaphysique.fr/site/laboite-outils/instrumentation/exao/acquisition-video/fiche-analyse-de-mouvement/ ),
montrer que le stylet est déplacé à une vitesse v quasi constante, vitesse que l'on
déterminera.
2- Mesure de la vitesse par effet Doppler :
Le diaporama « Doc_Eleves_Effet_Doppler.odp » constitue une aide précieuse à la
compréhension du phénomène.
→ A l'aide de mesures convenablement choisies et de la relation établie dans ce
diaporama :
λ' = λ – v.T
relation dans laquelle :
λ représente la longueur d'onde de l'onde perçue lorsque le stylet est immobile
λ' représente la longueur d'onde de l'onde perçue lorsque le stylet est en mouvement
v représente la vitesse de déplacement de la source (le stylet)
T représente la période des ondes,
déterminer à l'aide de l'effet Doppler la vitesse de déplacement v du stylet.
II- Principe du radar routier
f
f'
Le radar joue à la fois le rôle d'émetteur et de récepteur fixes ; le véhicule joue le rôle de
récepteur mobile et d'émetteur mobile. Dans ces conditions, on peut montrer que la
fréquence f' de l'onde de retour perçue par le radar s'écrit :
v
)
c
f ' = f.
v
(1 − )
c
(1 +
; en déduire que la vitesse s'exprime par :
v = c.
(f ' − f)
(f ' + f )
Remarque : dans la réalité, le radar routier utilise des ondes électromagnétiques. Nous
utilisons ici des ondes ultrasonores de célérité c = 340 m.s -1.
1- Principe de la mesure de vitesse par effet Doppler :
Un GBF génère un signal sinusoïdal de fréquence f ≈40kHz , appliqué à un émetteur
ultrasonore (U.S). L'onde ultrasonore se dirige verticalement vers un palet en chute libre,
palet qui réfléchit cette onde en direction du récepteur U.S. L'onde réfléchie est perçue
avec une fréquence f'.
Le signal émis ainsi que le signal reçu sont envoyés sur une console d'acquisition pour
pouvoir mesurer leur fréquence.
Mesures :
f=
f' =
Déduire la valeur de la vitesse : v =
2- Obtention de la vitesse par mesure optique :
La détection optique permet d'assurer un déclenchement de l'acquisition bien
reproductible d'une expérience à l'autre, mais aussi d'obtenir d'une autre façon la vitesse
du mobile :
R
e
E
t
Lorsque la bande de scotch noire , collée au centre du palet, passe devant le couple
émetteur/récepteur optique, la quantité de lumière reçue par le récepteur optique (R)
chute.
Sachant que cette bande noire a une hauteur e = 14,9 mm, déterminer la vitesse du palet
lorsqu'il passe dans cette « fourche optique » :
3- Obtention de la vitesse par un calcul théorique :
Un objet en chute libre, lâché sans vitesse initiale a une vitesse :
v = √ 2.g.h
où h est la hauteur de chute (en m) , et g l'intensité de pesanteur (g = 9,8 N.kg -1)