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Sujet guidé

L'effet Doppler-Fizeau

Partie 1 - Approche d’un camion de pompiers : vitesses de propagation

En 1842, Christian Doppler montre que la fréquence du son reçu change lorsque l’émetteur s’éloigne (ou s’approche) du récepteur. En 1848, c’est au tour d’Hippolyte Fizeau de mettre en évidence le même phénomène dans le cas de la lumière. On appelle donc ce phénomène l’effet Doppler-Fizeau. Cet effet a de multiples applications : radars de contrôle routier, météorologie, imagerie médicale, etc.
1.
Calcule la vitesse du camion de pompiers en m/s et km/h.
2.
Quelle durée faudra-t-il au son de la sirène pour atteindre l’observateur ? On considérera que la vitesse de propagation du son dans ces conditions est Vson = 340 m/s.
Doc. 1
Véhicule d’intervention des pompiers.
Un camion de pompiers se rapproche d’un observateur. Ils sont distants de 1 km. Le camion met 30 s pour l’atteindre.

Aide à la résolution

1. Quelle est la relation entre la vitesse, la distance et la durée ? Aide-toi de l’unité de la vitesse.
2. Rappel : 1 h = 60 min = 3 600 s.
3. Attention en utilisant la formule, détermine bien quelle grandeur physique on souhaite calculer.

Partie 2 - Approche du camion de pompiers : effet Doppler-Fizeau

L’effet Doppler-Fizeau peut être observé lorsqu’un camion de pompiers passe à proximité de nous, sirène hurlante.
1.
Comment la fréquence d’un son évolue-t-elle lorsqu’un camion de pompiers se rapproche de l’observateur ?
2.
Le son perçu est-il plus aigu ou plus grave que le son émis ?
3.
Indique la fréquence des sons (1er ton et 2e ton) perçus par un observateur voyant approcher un camion de pompiers à 120 km/h.
4.
Les radars de contrôle routier utilisent des ondes électromagnétiques. Au moment où une onde électromagnétique est réfléchie par un véhicule, on peut considérer ce dernier comme une source d’onde électromagnétique. Explique sans calculs mais en t’appuyant sur les documents disponibles comment la vitesse du véhicule par rapport au radar peut être connue.
Doc. 2
L’effet Doppler-Fizeau.
L’effet Doppler-Fizeau se produit lors de l’émission d’un son par un objet en déplacement. Le son perçu aura une fréquence différente du son émis à cause du déplacement de la source. Lorsqu’un camion de pompiers se rapproche d’un observateur, le son de la sirène du camion devra parcourir une distance d1 pour parvenir à l’observateur. Quelques instants plus tard, le camion se déplaçant, le son de la sirène devra parcourir une distance d2 plus petite que d1. L’effet Doppler a lieu également lorsque le camion de pompiers s’éloigne.
Les sirènes des véhicules prioritaires sont des avertisseurs sonores à deux tons, c’est-à-dire que deux notes de hauteurs différentes sont jouées par la sirène. Les notes varient en fonction du véhicule : police (ré-la), gendarmerie (ré-si), SAMU (fa-la) et les pompiers (si (488 Hz) et la (435 Hz)). La hauteur d’un son correspond à sa fréquence mesurée en hertz. Plus la fréquence du son est grande, plus le son est aigu. Plus elle est petite, plus le son est grave.
Doc. 3
Avertisseurs sonores des véhicules d’urgence.
Doc. 4
Évolution de la fréquence perçue de la sirène en fonction de la vitesse du véhicule lorsque le camion de pompiers se rapproche.
Doc. 5
Évolution de la fréquence perçue de la sirène en fonction de la vitesse du véhicule lorsque le camion de pompiers s’éloigne.

Aide à la résolution

1. Bien lire les documents est essentiel pour choisir la bonne information et ne pas te tromper. Les titres des graphiques sont aussi importants.
2. La lecture des coordonnées d'un point de la courbe permet d'associer la vitesse du véhicule à la fréquence perçue. Il faut bien distinguer le cas de lecture (approche ou éloignement du camion) et travailler avec la courbe correspondante.
3. Dans l’introduction du sujet, il est précisé que les ondes électromagnétiques sont également sujettes à l’effet Doppler-Fizeau. Il existe donc des documents similaires aux doc 4 et 5 pour les ondes électromagnétiques.
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