Effet Doppler – problèmes et solutions
1.
(1) un observateur se déplaçant vers la source stationnaire
(2) source se déplaçant vers l'observateur immobile
(3) l'observateur et la source se rapprochent l'un de l'autre
(4) l'observateur et la source se déplacent à la même vitesse
Si la fréquence perçue est plus élevée que celle de la source émise, alors laquelle des affirmations ci-dessus est correcte ?
A. (1), (2) et (3)
B. (1), (2), (3) et (4)
C. (1) et (3)
D. (1) et (4)
E. (2) et (4)
Solution
L'équation de l' effet Doppler :
Règle de signalisation :
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
Par exemple :
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) = 60 m/s ; si l'observateur est au repos, alors v<sub> obs</sub> = 0
La vitesse de la source (v source ) = 40 m/s, si la source du son est au repos, alors v source = 0
La vitesse du son (v) = 340 m/s
La fréquence du son (f) = 1000 Hertz
Un observateur se déplaçant vers la source de papeterie
La vitesse de l' observateur ( v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La source du son est au repos, donc v source = 0
La source se déplace vers l'observateur immobile
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers un observateur.
Observateur au repos donc ( v obs ) = 0
L'observateur et la source se rapprochent l'un de l'autre.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de la source (v <sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
L'observateur et la source se déplacent à la même vitesse.
Si la source du son et l'observateur se déplacent à la même vitesse, aucun effet Doppler ne se produit.
2. Un observateur est immobile près d'une source sonore de fréquence 684 Hz. Une autre source sonore, émettant un son de fréquence 676 Hz, se déplace vers l'observateur à une vitesse de 2 m/s. Si la vitesse de propagation des ondes sonores dans l'air est de 340 m/s, quelle est la fréquence de battement perçue par l'observateur ?
Connu :
La fréquence de la source du son 1 (f 1 ) = 684 Hz (au repos)
La fréquence de la source du son 2 (f 2 ) = 676 Hz (move)
La vitesse de la source du son 2 (v 2 ) = 2 m/s (se déplaçant vers l'observateur)
La vitesse de la source des ondes sonores dans l'air (v) = 340 m/s
Recherche : La fréquence du battement perçue par l'observateur
Solution:
L'équation de l'effet Doppler :
Règle de signalisation :
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
La fréquence de battement entendue par l'observateur = 684 Hz – 680 Hz = 4 Hz.
3. Une source sonore se déplace vers un observateur immobile à 20 m/s. La fréquence de la source sonore est de 380 Hz. La vitesse des ondes sonores dans l'air est de 400 m/ s . Quelle est la fréquence des ondes sonores perçues par l'observateur ?
Connu :
La vitesse de la source du son (v source ) = 20 m/s
La vitesse de l'observateur (v p ) = 0
La fréquence de la source sonore (f) = 380 Hz
La vitesse de la source des ondes sonores (v) = 400 m/ s
On recherche : la fréquence des ondes sonores perçues par l'observateur.
4. La voiture A roule à 72 km/h et la voiture B à 90 km/h lorsqu'elles se rapprochent. La voiture A klaxonne à une fréquence de 650 Hz. Si la vitesse du son dans l'air est de 350 m/s, quelle est la fréquence du son perçu par le conducteur de la voiture B en provenance de la voiture A ?
Connu :
La vitesse de la voiture A (v A ) = 72 km/h = 20 m/s, approche de la voiture B
La vitesse de la voiture B (v<sub> B</sub> ) = 90 km/h = 25 m/s, approche de la voiture A
La fréquence du son de la voiture A (f A ) = 650 Hz
La vitesse des ondes sonores dans l'air (v) = 350 m/s
Recherche : Fréquence du son perçu par le conducteur de la voiture B en provenance de la voiture A
Solution:
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
5. Une source sonore se déplace à 10 m/s en s'approchant d'un observateur immobile. La fréquence de la source sonore est de 380 Hz et la vitesse des ondes sonores dans l'air est de 400 m/s. Quelle est la fréquence des ondes sonores perçues par l'observateur ?
Connu :
La vitesse de la source du son (v s ) = 20 m/s
La vitesse de l'observateur (v p ) = 0
La fréquence de la source sonore (f) = 380 Hz
La vitesse des ondes sonores dans l'air (v) = 400 m/s
On recherche : la fréquence des ondes sonores perçues par l'observateur.
Solution:
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
6. Une voiture se déplace vers un observateur immobile et émet des ondes sonores de 490 Hz. La fréquence de battement perçue est de 10 Hz. Si la vitesse des ondes sonores dans l'air est de 340 m/s, quelle est la vitesse de la voiture ?
Connu :
La fréquence du son (f) = 490 Hertz
La vitesse des ondes sonores dans l'air (v) = 340 m/s
L' observateur s'approche de la source sonore de sorte que la fréquence du son perçu soit supérieure à celle de la source. La fréquence du son est de 490 Hz et la fréquence de battement est de 10 Hz, de sorte que la fréquence du son perçu par l'observateur (f') est de 500 Hz.
Recherche : la vitesse de la voiture
Solution:
L'équation de l'effet Doppler :
Règle de signalisation :
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
La vitesse de la voiture est de 6.9 m/s.
7. Une voiture de police, sirène hurlante à 930 Hz, poursuivait un motocycliste en fuite à 72 km/h . La vitesse des voitures de police atteint 108 km/h . Si la vitesse du son dans l'air est de 340 m/s, alors la fréquence de la sirène perçue par le motocycliste est de…
Solution:
Règle de signalisation :
La vitesse du son (v) est toujours positive.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est positive si l'observateur se déplace vers la source du son.
La vitesse de l'observateur (v<sub> obs</sub> ) est négative si l'observateur s'éloigne de la source du son.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est positive si la source du son s'éloigne de l'observateur.
La vitesse de la source (v<sub> source</sub> ) est négative si la source du son se déplace vers l'observateur.
La vitesse de l'observateur (v <sub>obs</sub> ) est nulle si l'observateur est immobile.
La vitesse de la source (v source ) est nulle si la source est immobile.
Connu :
La fréquence de la source sonore (f) = 930 Hz
La vitesse de l'observateur (v<sub> p </sub> ) = 72 km/ h = 72 (1000 mètres) / 3600 (secondes) = 72 000 / 3600 mètres/seconde = 20 m/s = -20 m/ s
La vitesse de la source sonore (v source ) = 108 km/ h = 108 × 1000 mètres / 3600 secondes = 108 000 / 3600 mètres/seconde = 30 m/s = -30 m/ s
La vitesse de la source des ondes sonores (v) = 340 m/ s
On recherche : La fréquence des ondes sonores perçues par un observateur (f')
Solution:
L'équation de l'effet Doppler :
8. Une ambulance se déplace à 72 km/h en actionnant sa sirène à une fréquence de 1500 Hz. Des motocyclistes circulent à 20 m/ s dans la direction opposée à celle de l'ambulance. Si la vitesse du son dans l'air est de 340 m/ s , alors le rapport des fréquences perçues par les motocyclistes lorsqu'ils s'approchent et s'éloignent de l'ambulance est de…
Connu :
La fréquence de la source sonore (f) = 1500 Hz
La vitesse de l'observateur (v p ) = 20 m/s
La vitesse de la source du son (v source ) = 72 km/h = 72 × 1000 mètres / 3600 secondes = 72 000 / 3600 mètres/seconde = 20 m/s
La vitesse de la source des ondes sonores (v) = 340 m/s
Recherche : Le rapport des fréquences perçues par les motocyclistes lorsqu'ils s'approchent et s'éloignent d'une ambulance
Solution:
L'équation de l'effet Doppler :
Fréquences perçues par les motocyclistes s'approchant des ambulances
Les deux véhicules se déplacent dans des directions opposées, de sorte que lorsque la moto s'approche de l'ambulance, ils s'approchent l'un de l'autre. La vitesse v<sub> p</sub> est positive si l'auditeur s'approche de la source sonore et la vitesse v <sub>s</sub> est négative si la source sonore s'approche de l'auditeur.
Les motocyclistes perçoivent des fréquences lorsqu'ils s'éloignent de l'ambulance.
Les deux signaux se propagent en sens opposés ; ainsi, lorsque la moto s'éloigne de l'ambulance, elles s'éloignent l'une de l'autre. La vitesse de propagation (v<sub> p</sub>) est négative si l'auditeur est éloigné de la source sonore, et la vitesse d'émission (v<sub> s</sub>) est positive si la source sonore est éloignée de l'auditeur.
Le rapport des fréquences perçues par les motocyclistes lorsqu'ils s'approchent et s'éloignent de l'ambulance
- Qu'est-ce que l'effet Doppler ?
- Réponse: L'effet Doppler décrit la variation de fréquence ou de longueur d'onde d'une onde par rapport à un observateur qui se déplace par rapport à la source de l'onde.
- Comment l'effet Doppler se manifeste-t-il dans les ondes sonores ?
- Réponse: Lorsqu'une source sonore s'approche d'un observateur, celui-ci perçoit une fréquence (ou hauteur) plus élevée que lorsque la source est immobile. Inversement, à mesure que la source sonore s'éloigne de l'observateur, la fréquence perçue est plus basse.
- Quelle est la différence entre le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu en termes d'effet Doppler ?
- Réponse: En ce qui concerne les ondes électromagnétiques (comme la lumière), le décalage vers le rouge désigne le déplacement de la lumière vers les grandes longueurs d'onde (ou les basses fréquences) lorsqu'une source s'éloigne de l'observateur. Le décalage vers le bleu, quant à lui, désigne le déplacement de la lumière vers les courtes longueurs d'onde (ou les hautes fréquences) lorsque la source se rapproche de l'observateur.
- Comment l'effet Doppler s'applique-t-il aux galaxies et à leur mouvement dans l'univers ?
- Réponse: De nombreuses galaxies présentent un décalage vers le rouge, indiquant qu'elles s'éloignent de nous. Cette observation constitue une preuve essentielle de l'expansion de l'Univers.
- Quel rôle joue l'effet Doppler dans la technologie des radars météorologiques ?
- Réponse: Le radar Doppler mesure la variation de fréquence du signal radar réfléchi causée par des objets en mouvement, comme des gouttes de pluie ou des grêlons. Cela permet aux météorologues de détecter le déplacement des précipitations et d'évaluer la vitesse et la direction du vent.
- L’effet Doppler est-il observé uniquement dans les ondes sonores et lumineuses ?
- Réponse: Non, l'effet Doppler peut être observé avec n'importe quel type d'onde, qu'il s'agisse de son, de lumière ou d'autres rayonnements électromagnétiques. Il suffit d'un mouvement relatif entre la source et l'observateur.
- Comment la vitesse relative entre la source et l'observateur affecte-t-elle l'amplitude de l'effet Doppler ?
- Réponse: Plus la vitesse relative entre la source et l'observateur est élevée, plus l'effet Doppler est marqué. Par exemple, une ambulance roulant à grande vitesse produira une variation de tonalité plus perceptible lors de son passage qu'une ambulance roulant lentement.
- Pourquoi ne remarquons-nous pas de décalage Doppler dans la lumière des phares d'une voiture qui s'approche de nous la nuit ?
- Réponse: Bien que l'effet Doppler se produise pour les phares d'une voiture, la vitesse de celle-ci est bien inférieure à celle de la lumière. Par conséquent, le décalage Doppler de fréquence/longueur d'onde de la lumière est infime et imperceptible à l'œil nu.
- Comment les animaux comme les chauves-souris utilisent-ils l'effet Doppler ?
- Réponse: Les chauves-souris utilisent l'écholocation : elles émettent des ondes sonores et écoutent les échos pour localiser et capturer leurs proies. L'effet Doppler intervient lorsque la chauve-souris ou sa proie est en mouvement, provoquant un changement de fréquence des ondes sonores réfléchies. La chauve-souris détecte ce changement et l'utilise pour évaluer le mouvement et la distance.
- Quel est le lien entre l'effet Doppler et la sirène d'un véhicule d'urgence ?
- Réponse: Lorsqu'un véhicule d'urgence, sirène allumée, s'approche, les ondes sonores se compriment, ce qui augmente la fréquence ou la tonalité du son. Au passage du véhicule, les ondes sonores s'étirent, ce qui diminue la fréquence ou la tonalité du son. C'est l'effet Doppler, et c'est pourquoi la sirène sonne différemment selon que le véhicule s'approche ou s'éloigne.
