L’effet Doppler ,
Jean Rosmorduc & Dominique l’Elchat,
25 mots clé de la culture scientifique
MC : onde, son, lumière, fréquence apparente, longueur d’onde, décalage du spectre.
Notes : Cet article expose un remarquable exemple d’application d’un phénomène scientifique à différentes autres sciences et à des secteurs inattendus de la vie sociale.
Contenu : L’effet Doppler, découvert et étudié au XIXe siècle par Christian Doppler(en 1842) dans le cas du son et par Hippolyte Fizeau(en 1848) dans celui de la lumière(on parle alors d’effet Doppler-Fizeau), a conduit à la mise au point de pratiques expérimentales, d’outils de détection et de mesure, qui sont aujourd’hui utilisés dans de multiples domaines : l’astrophysique, l’exploration médicale, les techniques militaires et civiles etc.
Qu’est-ce que l’effet Doppler ?
Afin de permettre une compréhension facile de cet effet cet article présente une image très claire, développée par E. Schatzmann dans deux de ses livres, Les enfants d’Uranie et L’Expansion de l’univers. En voici un résumé : « Au bord d’une rivière dont le courant est de 1 m/s, je jette, toutes les secondes, une feuille morte qui va dériver au fil de l’eau. Je crée ainsi une file de feuilles séparées les unes des autres d’un mètre. À 100 m de là un observateur immobile verra les feuilles arriver et défiler à raison d’une feuille par seconde. S’il remonte la rivière pour venir vers moi à la vitesse d’1 m/s par exemple, il verra les feuilles passer plus fréquemment qu’avant ; sa vitesse et celle du courant s’ajoutent et les feuilles toujours séparées d’1 m lui paraissent défiler à raison d’une feuille toutes les 1/2 secondes : la fréquence apparente augmente à la rencontre du courant. S’il fait maintenant demi-tour en s’éloignant de moi à la vitesse de 0.5 m/s, alors les feuilles défileront plus lentement, à raison d’une feuille toutes les 2 s, la vitesse de l’observateur se soustrayant à celle du courant. Si, enfin, il descend la rivière à la vitesse du courant, il se trouvera toujours à la hauteur de la même feuille. Il ne verra plus défiler les feuilles. L’intervalle de temps entre le passage des deux feuilles est devenu infini. De même, on ne peut pas causer avec un interlocuteur qui s’éloigne à la vitesse du son. » .
Scientifiquement : quand un son est émis à une certaine fréquence par une source en mouvement, l’observateur qui écoute reçoit l’onde sonore, dont la fréquence apparente change du fait du mouvement. Il en est de même si l’émetteur est immobile et l’observateur en mouvement. Un exemple : on suppose une voiture qui vient vers nous avec son klaxon bloqué fonctionnant en permanence, le son que nous recevons est d’autant plus aigue( i.e sa fréquence est plus élevée) que la voiture se rapproche de nous (et d’autant plus aigu que sa vitesse est grande). Dans l’image de E. Schatzmann, ce qu’il décrit est simplement un transport mécanique et continue de matière , les feuilles, tandis que notre phénomène est une propagation d’onde dans l’air, qui est aussi un effet mécanique, cela correspond au cas où l’observateur marche vers la personne qui laisse tomber les feuilles. Si la voiture passe devant nous et s’éloigne, toujours en klaxonnant, alors le son perçu devient de plus en plus grave (baisse de la fréquence perçue par l’oreille), cela correspond au cas où l’observateur s’éloigne de la personne qui laisse tomber les feuilles. Il est tout de même à signaler que l’étude de Doppler est généralisable à tous les types d’ondes, en particulier la lumière. Ce cas a été étudié par H. Fizeau (un français), il eut l’idée de s’en servir pour déterminer la vitesse relative d’une étoile par rapport à la Terre : si l’étoile s’éloigne de nous, la fréquence apparente de la lumière qu’elle émet diminue (et donc la longueur d’onde augmente), si elle se rapproche de nous alors la fréquence augmente (et “lambda” diminue). Fizeau en expérimente les conséquences sur le spectre de l’étoile, qui est comme une carte d’identité de l’étoile. Quand la source est immobile (ou, pour l’étoile, est située à un endroit en apparence fixe), le spectroscope forme un spectre parfaitement reconnaissable. Si elle se rapproche de nous, tout se passe comme si le nombre des ondes lumineuses, reçues par nous, augmentait, la fréquence de chacun des rayonnements reçus augmente ; chacune des raies initiales du spectre change de couleur (et donc de place), en allant vers les radiations de plus haute fréquence, soit vers la raie violette. Dans le cas où elle s’éloigne, tout se passe comme si le nombre des ondes diminuait, la fréquence des rayonnements reçus diminue et les raies se déplacent vers la raie rouge. C’est ce qu’on appelle le décalage du spectre, vers le violet dans le premier cas et le rouge dans le second. La multiplicité des applications de l’effet Doppler-Fizeau à l’astronomie est très grande. On peut, entre autres, l’utiliser pour confirmer la rotation du Soleil sur lui-même.
Applications
Émettre une onde vers un objectif sur lequel elle se réfléchit, recevoir l’onde réfléchie et l’étudier permet (pour différents types d’onde) des applications intéressantes dans plusieurs domaines. Quand l’objectif est en mouvement, il s’agit de l’effet Doppler et l’on peut dans ce cas, déterminer la vitesse du mobile et ses variations. Une application très connue est l’actuel sonar qui sert à la détection des sous-marins, au repérage des bancs de poissons, à la mesure des profondeurs marines, à l’étude des fonds sous-marin, etc. Le Doppler est également une échographie, mais sur une matière en mouvement. C’est essentiellement dans l’observation de la circulation sanguine dans les vaisseaux qu’il intervient. Il rend possible la mesure de cette vitesse de circulation, il permet de repérer les étranglements possibles, tant dans les vaisseaux cérébraux que dans ceux du cœur et des membres. C’est aussi grâce à (ou à cause de, pour certains) l’effet Doppler que les automobilistes se font flasher sur les routes, le radar est en effet l’une de ses applications.
Compléments :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler-Fizeau
http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/meca/doppler.html
http://www.e-scio.net/ondes/doppler.php3
Commentaires