Qu'est-ce que l'effet Doppler ?
L'effet Doppler est un effet physique très connu, et plutôt simple à comprendre. Êtes-vous prêts à voyager dans le monde des ondes ?
L'effet Doppler, c'est le changement apparent de la fréquence d'une onde à cause du mouvement relatif entre l'émetteur et le récepteur. Cela est dû au fait que les ondes émises par une source se rapprochant de nous sont comprimées, ce qui diminue leur longueur d'onde, et par conséquent leur fréquence (on fera un petit peu de calcul dans la suite de l'article), alors que les ondes émises par une source s'éloignant de nous sont étirées, leur longueur d'onde est donc plus grande et leur fréquence plus petite.
Ok, comme ça, ça a l'air assez vague (Arthur : Prix Nobel de l'humour 2029), mais vous allez voir, ce n'est pas si compliqué que ça en a l'air !
On va commencer par un exemple concret, et l'exemple le plus courant, une situation que vous avez tous déjà vécue au moins une fois :
Lorsqu'une ambulance passe devant vous, vous avez l'impression que le son devient de plus en plus aigu quand elle s'approche, puis devient de plus en plus grave quand elle s'éloigne : c'est une manifestation de l'effet Doppler !
En voici un assez bon exemple :
L'effet Doppler est principalement utilisé en astrophysique, dans un effet que l'on nomme "Le décalage vers le rouge", ou "Redshift".
La spectrographie consiste en l'étude des spectres lumineux de corps (célestes ou autres) afin de déterminer leur composition chimique.
Chaque élément chimique absorbe les ondes du spectre visible à des longueurs d'onde bien précises. En connaissant le spectre d'absorption d'un composé chimique, nous pouvons donc savoir si les corps célestes que nous observons possèdent ce composé chimique dans leur atmosphère. Ce procédé nous permit notamment de découvrir l'hélium, en observant le soleil.
Mais, en observant certaines étoiles, on a découvert que les longueurs d'onde de la lumière absorbées avaient tendance à être décalées vers le rouge, ce qui s'explique facilement grâce à l'effet Doppler :
Si une étoile s'éloigne de nous, la longueur d'onde des ondes qu'elle émet devient de plus en plus grande, et par conséquent, sa fréquence de plus en plus petite, ce qui correspond, dans le spectre de la lumière visible, aux couleurs rouges.
Au contraire, si une étoile s'approche de nous, elle deviendra plutôt bleue !
Bon, c'est parti pour faire un peu de mathématiques maintenant !
Il nous faudra, avant de commencer, présenter quelques variables et rappeler quelques formules qui vont nous servir dans les calculs :
'f' représente la fréquence, elle s'exprime en Hertz (Hz) elle est égale à l'inverse de la période, nommée 'T', et qui s'exprime en secondes (s).
'c' est la célérité de l'onde, soit sa vitesse, qui s'exprime en mètres par seconde (m/s).
'v' est la vitesse de l'objet que l'on va étudier (chaque chose en son temps), elle s'exprime également en mètres par seconde (m/s).
'λ' (se lit "lambda") est la longueur d'onde, elle s'exprime en mètres (m) et est égale à la célérité divisée par la fréquence.
Considérons maintenant un événement se déroulant sur une période T (en secondes). Pendant cet événement, une source émettant des ondes (sonores ou électromagnétiques) est en mouvement, considérons que c'est une voiture, pendant qu'un observateur est immobile près de là. Pour simplifier les calculs, on considère que la source avance tout droit vers l'observateur, pour ne pas avoir à prendre en compte l'angle entre l'observateur et la source.
Mettons que l'on démarre l'expérience à un instant T0 (0 en indice), la source de l'onde étant à ce moment là à un endroit précis, et l'observateur à un endroit précis, les deux étant séparés d'une distance d (rappel : d = vt ; la distance est égale à la vitesse multipliée par le temps).
On commence l'expérience à l'instant T0, au moment du départ de l'onde que l'on étudie, et on la laisse continuer jusqu'à ce que cette onde arrive au niveau de l'observateur. On va appeler cet instant T1.
Pendant la période T de l'expérience (T = T1 - T0), l'onde aura parcouru toute la distance d, et la voiture aura elle parcouru une distance d', plus petite que celle qu'a parcourue l'onde (les vitesses des ondes électromagnétiques et sonores sont bien supérieures à celle des voitures).
On peut donc en conclure que la longueur d'onde λ égale à la distance d moins la distance d'.
La distance est égale à la vitesse multipliée par le temps, donc d = c*T (c étant la vitesse de l'onde et T la durée de l'expérience) et d' = v*T (v étant la vitesse de la voiture).
Donc :
On sait que λ = c/f, en isolant le f, on en conclut que f = c/λ
On peut donc ici calculer la fréquence (reçue) de l'onde :
On vient de voir ce qu'il se passait lorsque l'émetteur de l'onde s'approchait du récepteur, nous allons maintenant voir ce qu'il se passe dans la situation inverse : l'émetteur s'éloigne du récepteur.
On garde les mêmes variables, rien ne change de ce côté là.
La seule différence c'est que pour connaître la longueur d'onde, on fait maintenant la somme de d et de d'. On effectue les mêmes calculs, et on arrive à la formule :
Alors voilà, nous avons étudié le cas de figure le plus simple (la source étant en mouvement par rapport à un observateur immobile). On peut aussi faire rentrer d'autres variables dans les calculs, dues au mouvement de l'observateur, de son angle par rapport à la source, mais on rentre dans des cas de figure plus compliqués, qui seront très probablement développés dans d'autres articles (d'où la présence du (1) dans le titre).
Merci pour avoir suivi cet article, j'espère qu'il vous a éclairé sur l'effet Doppler, n'hésitez pas à en parler dans les commentaires, je vous répondrai le plus rapidement possible, et pensez aussi à partager l'article s'il vous a plu, cela permettra de l'expliquer à vos amis, et de mettre en valeur notre travail, car nous faisons de notre mieux pour vous offrir un blog agréable ! :)
Partager
0 commentaires: