Physique-Chimie Terminale Spécialité
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Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 18
Interférences et diffraction
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 17
Activité 1 - Activité d'exploration
Expérience de Ballot
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Objectifs : Interpréter les observations correspondant à une manifestation de l'effet Doppler.
Établir et exploiter l'expression du décalage Doppler.
Établir et exploiter l'expression du décalage Doppler.
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Problématique de l'activité
En 1842, le physicien autrichien Christian Doppler modélise un phénomène
caractéristique des ondes émises par des sources en mouvement, et le présente
à l'Académie royale des sciences de Bohème. En 1845, le physicien autrichien
Christoph Buys-Ballot réalise une expérience pour tester la théorie de Doppler.
Comment Ballot a-t-il mis l'effet Doppler en évidence en 1845
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Doc. 1Abaissement de ton au passage d'un train
Kevin Parrish, Standard Splendour, 2008.
On peut observer, à chaque station de chemin de fer, un effet de ce genre extrêmement instructif, au moment du passage d'un train à grande vitesse. Pendant qu'il approche, les ondes émises par le sifflet sont virtuellement ou équivalemment raccourcies, parce qu'il en arrive un plus grand nombre à l'oreille, dans un temps donné.
Quand il s'éloigne au contraire, les ondes sonores sont virtuellement ou équivalemment rendues plus longues. La conséquence de ce raccourcissement et de
cet allongement est que, lorsque le train s'approche, le sifflet rend un son plus aigu, et que lorsqu'il s'éloigne le sifflet rend un son plus grave que lorsque le train est au repos.
On perçoit donc à chaque passage du train un abaissement de ton. Des expériences de ce genre ont été faites sur les chemins de fer hollandais par M. BuysBallot, et plus tard en Angleterre par M. Scott-Russel.
On perçoit donc à chaque passage du train un abaissement de ton. Des expériences de ce genre ont été faites sur les chemins de fer hollandais par M. BuysBallot, et plus tard en Angleterre par M. Scott-Russel.
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Doc. 2Expérience de Buys-Ballot
Le 3 juin 1845, afin de tester les théories de Christian Doppler, Christoph Buys-Ballot place des musiciens sur un train et leur demande de jouer un la_{3}.
Il place sur le quai, à intervalles réguliers, des groupes d'autres musiciens capables de distinguer très finement les différences de hauteur de notes. Lorsque le train s'est approché, les musiciens restés à quai ont affirmé avoir entendu un si{\displaystyle \flat }_{3} soit une note plus aiguë d'un demi-ton.
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Doc. 3Effet Doppler
Lorsqu'un émetteur d'onde est en mouvement à une vitesse v par rapport à un récepteur fixe, la fréquence f_{\mathrm{rec}} reçue par le récepteur diffère de la fréquence f_{\mathrm{em}} émise selon les formules suivantes :
- si l'émetteur et le récepteur se rapprochent :
- si l'émetteur et le récepteur s'éloignent :
f_{\mathrm{rec}}=\frac{f_{\mathrm{em}} \cdot v_{\mathrm{onde}}}{v_{\mathrm{onde}}-v}
f_{\mathrm{rec}}=\frac{f_{\mathrm{em}} \cdot v_{\mathrm{onde}}}{v_{\mathrm{onde}}+v}
f_{\mathrm{rec}} : fréquence reçue par le récepteur (Hz)
f_{\mathrm{em}} : fréquence émise par le récepteur (Hz)
v_{\mathrm{onde}} : vitesse de l'onde (m·s-1)
v : vitesse de rapprochement ou d'éloignement entre l'émetteur et le récepteur (m·s-1)
f_{\mathrm{em}} : fréquence émise par le récepteur (Hz)
v_{\mathrm{onde}} : vitesse de l'onde (m·s-1)
v : vitesse de rapprochement ou d'éloignement entre l'émetteur et le récepteur (m·s-1)
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Doc. 4Source sonore en mouvement
La représentation spatiale d'une onde dont la source est en mouvement montre que les écarts spatiaux entre les fronts d'onde n'ont pas la même valeur si la source s'approche ou s'éloigne du récepteur.
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Doc. 5Fréquences de quelques notes de musique
| Note | sol_{3} | sol\#_{3} | la_{3} | si{\displaystyle \flat }_{3} | si_{3} | do_{4} | do\#_{4} |
| Fréquence (Hz) | 392 | 415 | 440 | 466 | 494 | 523 | 554 |
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- Vitesse du son dans l'air : v_{\mathrm{son}}=340\:m⋅s-1
- Célérité de la lumière dans le vide : c=3{,}00 \times 10^{8} \:m⋅s-1
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Doc. 6Christian Doppler et Christoph Buys-Ballot
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Questions
Compétence(s)
RAI/ANA : Construire un raisonnement
VAL : Analyser des résultats
VAL : Analyser des résultats
1. a. Exprimer la longueur d'onde de l'onde reçue \lambda_{\mathrm{rec}} par l'observateur en fonction de f_{\mathrm{rec}} et v_{\mathrm{onde}} dans le référentiel terrestre.
b. Exprimer les vitesses v_{\mathrm{1}} et v_{\mathrm{2}} de l'onde dans le référentiel lié à l'émetteur en fonction de v_{onde} et v, respectivement dans le cas d'un éloignement et d'un rapprochement entre l'émetteur et le récepteur.
c. En déduire une expression des longueurs d'onde \lambda_1 et \lambda_2 (respectivement dans le cas d'un éloignement et d'un rapprochement) de l'onde émise dans le référentiel de l'émetteur en fonction de f_{\mathrm{em}}, v_{\mathrm{onde}} et v.
d. En écrivant l'égalité entre les longueurs d'onde exprimées dans les deux référentiels, retrouver les formules données dans le
2. Expliquer pourquoi les musiciens restés à quai ont entendu une note plus aiguë que celle jouée sur le train.
3. Calculer la vitesse à laquelle ce train se déplaçait.
4. En déduire la note entendue par les musiciens à quai lorsque le train s'éloignait.
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Synthèse de l'activité
Calculer la vitesse que le train devrait avoir pour que les musiciens entendent un do_{\mathrm{4}}. Commenter.
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