Physique Chimie Terminale Série S Thème : Observer – Ondes et matière. Type de ressources : Activités expérimentales. or 17 to View Notions et contenus notions associées. ncertltudes et Compétences travaillées ou évaluées : Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour mesurer une vitesse en utilisant reffet Doppler, Exploiter l’expression du décalage Doppler de la fréquence dans le cas des faibles vitesses.
Identifier les différentes sources d’erreur lors d’une mesure : variabilités du phénomène et de l’acte de mesure (facteurs liés ? l’opérateur, aux instruments, etc. ). Nature de l’activité : Activité de découverte. http://sciences-physiques. ac-montpellier. fr Effet Doppler Table des matières 1. Activité A : Découverte de l’effet Doppler 3 1 . Son produit par une source en mouvement 3 2. Ondes à la surface de l’eau 3 3. Mesure de la variation de fréquence d’un son lorsque la source se déplace 3 Notes pour le professeur 4 2.
Activité g : Ondes à la surface de l’eau et effet Doppler6 1. Observation de l’effet Doppler à la surface de l’eau6 2. Détermination de la vitesse de la source par décalage Doppler6 3. Détermination de la vitesse de la source par pointage 7 Notes pour le professeur 7 3. Activité C : Comprendre et utiliser l’effet Doppler 9 1. Problème de la bande transporteuse 9 2. Le radar routier 11 3. Activités de prolongement 12 Notes pour le professeur 13 4. Activité D : Mesure d’une vitesse par effet Doppler avec des ultrasons 15 1.
Protocole expérimental 15 2. Mesures et exploitation des résultats 15 Notes pour le professeur 16 Conclusion : 18 Annexe 19 PAG » 7 source se déplace. Questions : Qu’observe-t-on ? Que peut-on dire des caractéristiques de l’onde? 1 Mesure de la variation de fréquence d’un son lorsque la ource se déplace Base de travail : Animation de IONERA : http://wvwu. onera. fr/lumiere/medias ‘doppler. swf Montage expérimental : Microphone et pendule sur lequel est fixé un haut parleur. Figure 2 : Dispositif expérimental pour l’étude du déca age Doppler sonore.
Questions : 1. Pendule immobile Choisir une fréquence avec le GBF et faire une acquisition du signal sonore, Déterminer à partir de l’enregistrement la valeur de la fréquence. 2. Pendule en mouvement Faire une acquisition du signal sonore, Montrer que la fréquence enregistrée par le microphone est ifférente selon que la source sonore s’approche ou s’éloigne du micro. Analyse / Bilan de l’activité Quelle est la caractéristique commune aux trois situations précédentes décrites dans les parties 1 à 3 de cette activité ?
Notes pour le professeur Partie 1 : Son produit par une source en mouvement Cas d’un observateur éco ule arriver (Figure 3) : PAGF30F17 de la vitesse radiale. Quand le véhicule est face à l’observateur (a = rV2), la vitesse radiale est nulle et il perçoit le son du véhicule tel qu’il entendrait ce véhicule s’il était immobile. Figure 3 : Observateur fixe écoutant une source sonore en mouvement. partie 2 : Ondes à la surface de l’eau La cuve à ondes permet d’illustrer de manière très visuelle l’effet Doppler, facilitant ainsi la compréhension du phénomène par les élèves.
Partie 3 : Mesure de la variation de la fréquence du son lorsque la Pour illustrer le décalage Doppler, il faut analyser le signal enregistré dans plusieurs cas : Lorsque la source sonore se rapproche du microphone (la fréquence du signal enregistré est alors plus élevée), Lorsque la source sonore est face au microphone (vitesse radiale ulle, pas de décalage Doppler), Lorsque la source sonore s’éloigne du microphone (la fréquence du signal enregistré est alors plus faible). Figure 4: Exemples de zones d’étude du son enregistré par le microphone s’éloigne du microphone. orsque la source s’approche puis une transformée de Fourier permet de déterminer facilement la fréquence du signal enregistré par le microphone : Fieure 5 : Détermination d du signal sonore PAGF 13 la fréquence du signal sonore enregistré lorsque la source s’approche puis s’éloigne du microphone. 2. Activité B : Ondes à la surface de l’eau et effet Doppler Dans cette activité, on étudie la modification de la longueur d’onde d’une onde mécanique se déplaçant à la surface d’un liquide.
On se place dans des conditions telles que la célérité de l’onde à la surface de Feau est indépendante de la fréquence. 1 . Observation de reffet Doppler à la surface de l’eau Base de travail : Vidéo d’une cuve à ondes ou photographie lorsque la source vibratoire est en déplacement. Figure 6 : Ondes à la surface de l’eau : source fixe (Fig. a) et source mobile (Fig. b). (Fréquence du stroboscope f 32 Hz). Quand la source se rapproche d’un observateur, est ce que celui- i perçoit la même fréquence que la source, une fréquence plus faible ou bien une fréquence lus élevée ?
Justifier votre réponse en vous appuyant les pho ure 6), PAGF (m. s-l), 2. vs : vitesse de déplacement de la source (m. s-l), 3. f : fréquence de l’onde émise par la source (Hz), 4. f’ : fréquence de l’onde perçue par un observateur fixe (Hz), 5. : longueur d’onde de l’onde émise par la source au repos (m), 6. À’ : longueur d’onde perçue par un observateur fixe (m). En utilisant la Figure 7, exprimer À’ en fonction de vs et T, En utilisant la relation X = c.
T, exprimer X’ en fonction de À, vs et c, Exprimer la fréquence f’ des signaux perçus par l’observateur en fonction de f, vs et c, Exprimer la vitesse vs de la source en fonction de f, R et À’, La fréquence de la source est f = 32 Hz. Calculer sa vitesse vs de déplacement. 3. Détermination de la vitesse de la source par pointage Matériel : Vidéo de la partie 1 et logiciel de pointage adapté. proposer un protocole expérimental pour mesurer la vitesse vs, Donner une expression de la vitesse vs sous la forme vs = vs moyenne Partie 1 : Observation de l’effet Doppler à la surface de l’eau
Quand la source est mise en mouvement, elle émet toujours des ondes de même fréquence mais les fronts d’onde produits vers l’avant sont maintenant plus proches les uns des autres (cela est dû au fait que la source oursuit les ondes qu’elle émet). Un observateur fixe captera d onts d’ondes chaque PAGF 6 7 par exemple « Mesurim D, on peut facilement répondre à la question posée : Figure 8 : Utilisation du logiciel « Mesurim » pour déterminer les longueurs d’ondes. On trouve : pour la Fig. : À z 1,80 cm (valeur mesurée à partir de 5h cm), pour la Fig. b : R’ z 1,22 cm et À » z 2,43 crn. 9,00 on a donc = 0,58 cm 0,63 crn. on vérifie bien, aux incertitudes de mesures près, que : xl = x2 z 0,60 m ± 0,03 cm. Avec les élèves, il peut être opportun d’avor une discussion sur les incertitudes liées à la détermination avec le logiciel des différentes longueurs d’onde. Partie 2 : Calcul de la vitesse de la source par décalage Doppler Pendant une période, l’onde a arcauru la distance telle que À c.
T et l’émetteur s’est dépl nce x telle que x = VS. T. PAGF70F13 0,19 m. s-l. Pointage avec un logiciel : Figure 9 : pointage avec un loglciel afin de calculer la vitesse de éplacement de la source. On peut constater que la vitesse de déplacement de la source n’est pas constante : à partir de la position initiale, l’opérateur accélère, maintient une vitesse quasi constante puis décélère. La mesure de la vitesse par décalage Doppler a été effectuée pendant la phase à vitesse quasi constante, pour t allant de à 0,7 s.
On choisit donc de faire la moyenne des vitesses instantanées pour t 0,44 s, 0,56 s et 0,68 s afin de limiter les incertitudes dues au pontage. On trouve : vs = 0,18 m. s-l. Par calcul à partir du décalage Doppler, on avait trouvé vs = 0,19 m. s-l . Les valeurs des vitesses obtenues par pointage sont bien cohérentes avec celles obtenues par effet Doppler (il peut être intéressant d’engager une discussion avec les élèves sur la pertinence des résultats et de réfléchir aux erreurs à prendre en compte). . Activité C : Comprendre et utillser l’effet Doppler 1. Problème de la bande transporteuse a. Mise en situation Enoncé : Un employé d’aéroport est chargé de déposer ? intervalles réguliers les bagages des voyageurs sur un tapis roulant afin de vérifier qu’ils ne contiennent pas d’objets dangereux. A l’autre bout du tapis roulant, un appareil scanne vec des rayons X ces bagages. Cette opération de contrôle nécessite 2 secondes par bagage. heure 10 : Dépôt de baga nde transporteuse. épose donc sur le tapis un nouveau bagage toutes les 2 secondes. De l’autre côté du tapis son supérieur l’appelle et lui demande de le rejoindre. L’employé saisit alors plusieurs bagages et se dirige vers lui tout en continuant à déposer les bagages sur le tapis toutes les 2 secondes sur le tapis. Mais là, curieusement, lorsque les bagages arrivent au scanner la chaîne se bloque et l’appareil indique : « Temps insuffisant pour procéder au contrôle ». Question : Expliquer pourquoi la chaine de contrôle a été interrompue. b.
Modélisation du problème Visionner la vidéo : « BandeTransporteuse. avi Figure 11 : Vidéo d’illustration de l’effet Doppler sur une bande transporteuse (les repères sur la bande sont espacés d’une distance égale à un mètre). par la suite, nous adopterons les notations suivantes : TS = période de la source S (temps entre deux dépôts successifs d’un objet), TR période perçue par le récepteur R (temps entre deux détections successives d’un objet), fS = fréquence de la source S, fR = fréquence perçue par le récepteur R,
Af=fR-fS, vs = vitesses de déplacement de la source S, v = vitesse de déplacement des objets sur la bande transporteuse. Schéma de la bande transporteuse : relation liant TR à TS puis montrer que : Enfin, montrer que de la vitesse vs de la source est Application : A partir de la vidéo, et en utilisant les chronomètres, élaborer un protocole permettant de déterminer avec le maximum de précision les fréquences fS et fR, ainsi que la vitesse v de déplacement des objets sur la bande transporteuse (les croix présentes sur la vidéo sont espacées d’une distance égale à un mètre),
En utilisant la formule de vs établie ci-dessus, calculer la vitesse vs de la source, Vérifier le résultat obtenu en calculant directement la vitesse vs de déplacement de la source en utilisant les croix espacées d’une distance égale à un mètre. Remarque : La formule ci-dessus, établie pour une bande transporteuse, reste valable pour une onde sonore ou électromagnétique de fréquence f se déplaçant à la vitesse c (célérité) dans le milieu. Le récepteur percevra un décalage de la fréquence par rapport à la source à cause de l’effet Doppler. Deux cas peuvent se présenter :
Cas d’une source mobile se déplaçant à la vitesse v en émettant un signal de fréquence fet dun récepteur fixe • La fréquence perçue par le récepteur est : et. Cas d’une source fixe émettant un signal de fréquence f et d’un récepteur mobile se déplaçant vers la source à la vitesse v . On montre alors facilement que les formules deviennent : et. 2. Le radar routier Enoncé : Le radar émet des ondes électromagnétiques de fréquence f (elles se déplacent dans l’alr à la vitesse c) en direction d’un véhicule s’approchant à la vitesse v. A cause de sa vitesse, le véhicule reçoit cette onde 17
