Effet Doppler ressource pour la terminale S - Académie d`Aix

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Sciences physiques et chimiques
Terminale S
EFFET DOPPLER
Table des matières
FICHE DE PRESENTATION ................................................................. Error! Bookmark not defined.
EFFET DOPPLER EN ONDES SONORES : METHODE DIRECTE. .............................................. 4
EFFET DOPPLER EN ONDES ULTRASONORES : METHODE INDIRECTE .............................. 9

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Thème : OBSERVER : Caractéristiques et propriétés des ondes.
Type de ressources : Expérimentales.
Notions et contenus : Effet Doppler.
Compétences travaillée ou évaluées :
Démarche scientifique
Formuler des hypothèses pertinentes
Activité 2
Confronter des hypothèses à des résultats
expérimentaux
Activité 1
Exercer son esprit critique
Activité 2
Mobiliser ses connaissances
Activité 2
Valider des résultats obtenus et des
hypothèses faites
Activité 2
Analyser des mesures
Activité 1
Estimer la précision de mesures
Activité 1
Écrire des résultats de façon adaptée
Activité 1
Erreurs et notions associées
Identifier les différentes sources d'erreur
(de limite à la précision) lors d'une mesure :
variabilités du phénomène et de l’acte de
mesure (facteurs liés à l’opérateur, aux
instruments, etc.).
Activité 1
Évaluer et comparer les incertitudes
associées à chaque source d’erreur.
Activité 1
Évaluer l’incertitude de répétabilité à l’aide
d’une formule d’évaluation fournie.
Activité 1
Évaluer, à l’aide d’une formule fournie,
l’incertitude d’une mesure obtenue lors de
la réalisation d’un protocole dans lequel
interviennent plusieurs sources d’erreurs.
Activité 1
Expression et acceptabilité du résultat
Maîtriser l’usage des chiffres significatifs et
l’écriture scientifique. Associer l’incertitude
à cette écriture.
Activité 1
Évaluer la précision relative.
Activité 1
Déterminer les mesures à conserver en
fonction d’un critère donné.
Activité 1
Faire des propositions pour améliorer la
démarche.
Activité 1
Nature de l’activité : Ce document propose deux activités de nature expérimentale
sur la mesure directe et indirecte de l'effet Doppler, en ondes sonores et
ultrasonores.

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Résumé : La première activité propose une mesure directe de l'effet Doppler dans le
cas des faibles vitesses en analysant les sources d'erreurs et proposant également
un travail sur le traitement des mesures.
La deuxième activité montre une deuxième façon d'accéder au décalage Doppler
des fréquences.
Mots clefs : Effet Doppler, ondes sonores, ultrasonores.
Académie où a été produite la ressource : Académie d'Aix Marseille.

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EFFET DOPPLER
1. Effet Doppler en ondes sonores : méthode directe.
 Descriptif :
Il ne s'agit pas ici de découvrir l'effet Doppler - celui ci pourra être mis en
évidence par un enregistrement sonore d'un véhicule se rapprochant puis
s'éloignant de l'observateur - mais de vérifier par une démarche
expérimentale si cet effet est mesurable en ondes sonores au laboratoire
pour une vitesse de la source sonore relativement faible, et d'en tirer des
conséquences. Cette activité peut être l'occasion de travailler sur les
erreurs et notions associées, compétences expérimentales exigibles.
 Conditions matérielles et conseils de mise en œuvre :
L'expérience proposée ici a été réalisée avec un moteur à courant continu
de tension nominale 24 V dont la vitesse de rotation peut être réglée à
l'aide d'un rhéostat. L’arbre de ce moteur entraîne un plateau d'environ 30
cm de rayon, sur lequel est fixée une source sonore à alimentation
autonome (ici un accordeur de guitare). Le dispositif permet de mesurer
l'effet Doppler en rapprochement mais aussi en éloignement.
Un microphone classique amplifié par un montage amplificateur (  1000 ) à
amplificateur opérationnel est relié à l'interface d'acquisition d'un ordinateur.
Pour des raisons de sécurité, il est conseillé que ce soit le professeur qui
réalise l'expérience et que les élèves se tiennent à l'écart du dispositif.
En revanche, l'analyse des courbes peut être réalisée par les élèves.
 Mesures préalables :
Il s'agit de mesurer la fréquence du son émis par la source sonore ainsi que la
vitesse, dans le référentiel du laboratoire, de cette source sur le plateau
lorsque le moteur a atteint son régime permanent.

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- La mesure ou vérification de la fréquence de la source sonore - celle ci
ayant été réglée sur le Mi4 à 659 Hz - peut se faire par une acquisition
(durée d'acquisition de 10 ms), moteur à l'arrêt et microphone proche de la
source sonore.
L'élève initié à l'analyse spectrale d'un son pourra la mettre en œuvre,
sinon la mesure de l'intervalle de temps sur plusieurs périodes peut
convenir.
Pour la suite, au niveau du traitement des erreurs, cette valeur de
fréquence pourra être considérée comme une valeur de référence et donc
non entachée d'erreur.
- La mesure de la vitesse de la source sonore peut être proposée en
démarche expérimentale où les élèves peuvent réfléchir à l'élaboration d’un
protocole expérimental.
Plusieurs solutions existent :
Il est possible de filmer le dispositif en rotation lorsque le moteur a atteint
son régime permanent, et de déterminer la période de rotation grâce à un
logiciel de pointage. Pour obtenir un pointage de qualité il faudra filmer
avec une caméra rapide (permettant de prendre 240 images par seconde).
Il est également possible, en faisant une acquisition longue ( 2 s par
exemple) , d'interpréter le signal obtenu.
Il apparaît clairement un signal périodique. Les variations de l'amplitude du
signal reçu proviennent du montage expérimental lui même : lorsque
l'émetteur n'est pas en regard du microphone, l'amplitude diminue.
La fréquence du signal est celle de la rotation du moteur. A ce niveau les
élèves peuvent être questionnés pour bien noter que cette deuxième
fréquence n'est pas celle du signal sonore, vu les deux ordres de grandeur
( ici f = 3,4 Hz à comparer avec F = 659 Hz).
La vitesse de la source sonore est obtenue facilement ensuite :
v = 2π f  R où R est la distance entre le centre du plateau et la source
sonore. (Pour R = 22,5 cm, on a obtenu v = 4,8 m/s).
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3
t (s)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4u3 (V)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
f (Hz)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130 Spectre (mV)