enseignement

L’effet Doppler en terminale… galère expérimentale ?

Le nouveau programme de terminale possède une partie sur l’effet Doppler.

La fréquence mesurée d’une onde émise par une source qui s’éloigne ou se rapproche du récepteur est différente de la fréquence émise.

Cet effet peut être facilement montré en étudiant des son sur un circuit de F1 par exemple.

Connaissant la modification de la fréquence, on peut remonter à la vitesse, c’est ainsi que sont mesurées les vitesses sur les routes par les forces de l’ordre.

Nous avons essayé plusieurs techniques de bricolage pour faire un Tp facilement accessible, soit par le professeur, soit par les lycéens. Pour le moment, faute d’offre connue, nous avions bricolé une solution à l’aide de table traçante qui portait un émetteur à ultrason piézo-électrique (40KHz) et son émetteur fixe. L’avantage des tables traçante étant leur vitesse très uniforme.

Mais nous avons eu la possibilité de tester le banc Doppler fait par Jeulin : http://www.jeulin.fr/fr/a-a1000003892-edc1000003/article/22213884-Pack-Effet-Doppler.html

NB : je n’ai pas d’action chez Jeulin et si d’autres sociétés veulent que je teste leur produits, ce sera avec grand plaisir.

Le banc est très simple :

  • une réglette en plastique, d’aspect assez solide,
  • des modules « moduson » émetteur et récepteur qui sont adaptés (ça ne glisse pas, ce n’est pas difficile à installer)
  • un moteur à courant continu faisant avancer à vitesse constante une plateforme
  • un boitier qui 1) contrôle la vitesse que l’on peut régler avec un potentiomètre 2) gère l’envoi et la réception des signaux (pas besoin de GBF) 3) sort la différence de fréquence directement (pas besoin de faire des traitements derrière ou de rajouter de l’électronique)

Nous avions aussi à disposition un capteur de vitesse pour avoir une mesure simple sans avoir à s’embêter avec des mesures avant au chronomètre. Je l’ai fait à côté pour vérifier les mesures, les vitesses mesurées par le chronomètre (le mobile fait 30 cm en 3.1 s par exemple) et le capteur sont très proches.

On récupère en sortie de boîtier un signal correspondant à la différence de fréquence f_source-f_récepteur. C’est ici le point très intéressant !! Le boîtier fait la différence des deux signaux à votre place. Il n’y a ensuite qu’à trouver la fréquence de ce signal.

Voici ce qu’on obtient via le logiciel Jeulin (ou tout autre logiciel de mesure)

En violet est tracé la valeur de la vitesse obtenue par le capteur de vitesse.

Ensuite, par le moyen de votre choix, on trouve la fréquence de cette sinusoïde. RQ : on peut aussi utiliser un oscilloscope à mémoire et une transformée de Fourier). Ici nous utilisons directement la modélisation fournie par le logiciel Jeulin :

modélisation du signal

Alors ce n’est peut-être pas très clair sur cette copie d’écran mais nous allons faire les calculs :

La vitesse mesurée « en direct » est de 12,1 cm/s (ATTENTION : les échelles positionnées sur le graphique en ordonnée correspondent à la modélisation de la sinusoïde… pas à la vitesse. Pour l’avoir il faut la sélectionner. Cette valeur de 12,1 m/s est prise dans le tableau de mesure)

La vitesse obtenu par effet Doppler : V = c *deltaf/f = 340 * (1/0.0706)/40000 = 0,120 m/s soit 12,0 cm/s.

Le résultat est assez bluffant !! On va être clair… il est tellement bluffant qu’on a essayé, et réessayé en se disant qu’on était tombé trop bien. Et bien non, c’est toujours très précis.

On pourrait donc, avec ce banc trouver que la vitesse reçue est proportionnelle à la différence de fréquence de manière assez simple sur quelques points. Je n’ai pas eu le temps d’essayer mais ceci pourrait être intéressant pour introduire l’effet Doppler.

Points positifs :

  • Banc qui paraît solide
  • Très reproductible et précis
  • Peu de biais possibles (on a mesuré les fréquences fournies au piézo pour vérifier le boîtier)

Points à améliorer :

  • Le banc glisse un peu sur la table (addition de coussinets en cours ?)
  • Le prix. Compter 200 € pour le banc + boîtier auxquels il faut rajouter 2×30 € pour les modules de son.
Publicités

Une réflexion sur “L’effet Doppler en terminale… galère expérimentale ?

  1. Salut,

    Merci pour le partage, c’est toujours sympa de voir la science « appliquée ». Par contre, il faudrait reformuler la première phrase :

    « Cet effet modifie la fréquence d’une onde qui est émise par une source qui s’éloigne ou se rapproche du récepteur. »

    « Mr Doppler » a expliqué que l’on pouvait utiliser la variation de la longueur d’onde sonore par la distance qui nous séparait de l’objet, ce n’est pas l’effet qui « modifie la fréquence de l’onde », c’est son explication, en fait 🙂

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s