2013 TP n° 05 Phy (Effet Doppler)

2013 TP n° 05 Phy (Effet Doppler)
29 août 14
Tp n° 05 φ : Effet Doppler
I. Observation du phénomène (15 min.)
Doc. 1 : Enregistrements sonores "TP5 - Moto" et "TP5 - Sirène police" : sons enregistrés depuis le bord de la
route au passage d’une moto ou d’un véhicule de police avec sa sirène.
Doc. 2 : Vidéo "TP5 - Effet Doppler sur cuve à ondes" : sources d'ondes circulaires en mouvement sur une cuve à
onde.
1. Après avoir écouté les sons du document 1, expliquer quelle est la particularité du son perçu par l’observateur.
2. Qu’observe-t-on dans le document 2 ?
3. Les documents 1 et 2 sont une illustration simple d’un phénomène ondulatoire appelé effet Doppler.
a. A quel moment ce phénomène se produit-il ?
b. Quelle caractéristique de l’onde est alors modifiée ?
II. Mesure d’une vitesse par effet Doppler (45 min)
Doc. 3 : L’effet Doppler
L’effet Doppler correspond à la modification de la fréquence perçu par un observateur lorsque la source d’une
onde est en mouvement.
Considérons une source émettant un signal de fréquence f et de célérité c . Dans le cas où la source est
mobile et se déplace à la vitesse v par rapport au récepteur fixe, on montre que la fréquence perçue par le
récepteur vaut :
v
f 1= f × 1+
●
si la source se rapproche de l’observateur ;
c
v
f 2= f × 1 −
●
si la source s’éloigne de l’observateur.
c
( )
( )
Analyse de l'effet Doppler
a. Préalable : justifier que la fréquence perçue est plus faible que la fréquence émise lorsque la source s'éloigne
de l'observateur (et plus importante lorsque la source se rapproche).
b. Analyse : on considérera que la célérité du son dans l'air a pour valeur c=340 m/ s
(1) Ouvrir le logiciel Regressi®.
(2) Dans "Fichier/Ouvrir", sélectionner un fichier de type "Audio" et ouvrir le fichier "Moto".
(3) Passer dans le module "Traiter" de Regressi®.
(4) A l’aide de la fonction "Fourier" du logiciel Regressi®, déterminer les fréquences f 1 et f 2 .
(5) Montrer que l'on peut connaître la fréquence f du son émis par la moto à l’aide de f 1 et f 2 .
2v
(6) Montrer que f 1− f 2= f ×
.
c
(7) Cette moto respectait-elle la limitation de vitesse sur cette portion de route à 70 km/h ?
( )
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29 août 14
III.Effet Doppler et détection d'exoplanètes (50 min)
L’effet Doppler a été découvert par Christian Doppler (1803-1852) en 1842 dans le cadre de ses recherches concernant
les ondes sonores. Six ans plus tard, Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) a montré que cet effet s’applique aussi dans le cas
des ondes lumineuses. Il est aujourd’hui utilisé en astrophysique pour déterminer les vitesses d’étoiles lointaines, mais
permet aussi la détection d’exoplanètes.
1. A partir des documents suivants, rédiger une synthèse afin d’expliquer comment l’effet Doppler permet de
mettre en évidence la présence d’une exoplanète autour de l’étoile étudiée.
Doc. 4 : Conditions d'utilisation de la méthode
La question de la présence d’une vie extraterrestre commence par la recherche de planètes favorables au
développement de la vie. Si la détection d’exoplanètes semblait impossible du fait de leur petite taille et de leur faible
luminosité par rapport à l’étoile du système extrasolaire auquel elles appartiennent, une technique basée sur l’effet
Doppler a su mettre en évidence la première exoplanète dans les années 1990, et près de deux cents autres ont depuis
été découvertes.
Cette technique ne se base pas sur l’observation directe de la planète mais sur la conséquence de son existence sur le
mouvement de l’étoile autour de laquelle elle gravite : un mouvement périodique de son centre. Pour que la
perturbation soit détectable, l’exoplanète doit être massive et proche de son étoile pour pouvoir en modifier le
mouvement de manière significative. C’est pour cette raison que l’on classe ce type d’exoplanète dans la catégorie des
"Jupiter chauds" ou "Pégasides", du nom de la première planète de ce type découverte autour de 51 Pegasi.
Doc. 5 : Décalage en longueur d'onde au cours du temps du spectre d’absorption de la lumière de l’étoile étudiée
En première approximation, l’intervalle de temps moyen séparant la prise de deux spectres consécutifs est 1 jour.
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29 août 14
Doc. 6 : Evolution de la vitesse relative de l'étoile (vue de la Terre)
Doc. 7 : Animation "Exoplanète" : Vitesse de révolution d’une étoile et évolution de son spectre
L’animation illustre le principe de détection d’une
exoplanète basée sur l’effet doppler.
Elle présente :
l’observation d’une étoile en mouvement
conditionné par la présence d’une exoplanète ;
le déplacement des raies dans le spectre de
l’étoile suite à son mouvement ;
l’exploitation concernant la détermination de la
vitesse de l’étoile.
L’animation est également disponible à l’adresse
suivante :
http://www.fr.euhou.net/docupload/images/exercise/exoplanetes/spectroradial.gif
2. AIDE À LA RÉDACTION DE LA SYNTHÈSE
a. Document 4. : Utiliser le document 4 pour identifier deux difficultés qui limitent la détection directe
b.
c.
d.
e.
de l’exoplanète.
Document 5. Quelle observation peut-on faire concernant la position des raies d’absorption ? En
faisant référence à l’effet Doppler, qu’est-ce que cela implique concernant la source ?
Document 6. Quelle observation confirme la déduction précédente ? Relier les documents 5 et 6 en
indiquant, sans calcul, comment on passe de l’un à l’autre.
Document 7. Interpréter les observations précédentes en utilisant le document 7.
Conclure en précisant les éléments qui ont permis de détecter la présence de l’exoplanète.