Effet Doppler, Recherche d'une experience originale

[invite8c0e3bb7]

Donc voila, aprés un redoublement et un TPE sur les tornades pourtant de mon point de vue pas si mauvais, j'ai recolté un 9 et me revoila pour de nouvelles aventures

Notre prof nous a dirigés moi et mon compère (redoublant aussi) a faire un sujet sur l'effet Doppler, pas spécialement intéréssé et en manque cruel d'idée on s'est résigné a étuider cet effet.

Aprés quelques recherches on voulait ériger un plan de la forme :
I] Introduction (son + doppler)
II] L'effet en lui même (défintions + formule)
III] Différentes applications (météo + astronmie + médecine + sécurité routière + applications numériques)

Le plan est bateau (trop) et on se noie un peu sous la masse d'information, comment pourrait on tourner ca pour rendre le TPE moins bancal ?

L'experience est notamment trés importante puisqu'on pensait axer problématique et plan autour de celle ci, mais aprés de ptite recherches, je ne vois pas trop que faire avec les moyens limités des labos lycée 1ere S.
On voulait transferer un son enregistré (d'une voiture) sur un oscilloscope pour ensuite calculer fréquence et utiliser la formule pour calculer la vitesse de la voiture et ... bein on sait pas trop quoi en conclure : /

L'experience semble assez compliqué et ne pas vraiment aboutir, il nous faudrait donc un guide histoire de nous reperer dans ce fouillis d'information.
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[invite8c0e3bb7]

J'arrive pas a éditer mais je voulais dire que a la place des trois petits points je voulais mettre, que avec ce son on calculerait la fréquence a différents moment du son et on redémontrerait l'effet doppler en quelque sorte !

Aprés comment realiser cette éxperience, et comment s'orienter ?

[invitee9281902]

J'ai fait un TIPE sur ce sujet il y a qqs années, pas au lycée mais en prépa. Notre expérience avait bien marché et montrait bien le principe ET une des applications principales de cet effet qui est le radar.

L'expérience consistait à enregistrer en live le son émis par un petit Haut Parleur fixé sur une petite voiture motorisée qu'on avait construite:

-On avait placé un micro sur le trajet (trajet rectiligne), et en renvoyant le son sur oscillo, on mesurait la variation de fréquence qui nous donnait la vitesse.

-Et en parallèle (ça c'était le "plus"), on avait placé deux photodiodes, une en début de piste et une en fin de piste, qu'on éclairait avec des petites lampes torches. Le passage de la voiture devant une diode coupait le faisceau lumineux, ce qui créait une impulsion (ou l'inverse, je sais plus), on envoyait ces impulsions sur le port série d'un PC, et avec un petit programme en Visual Basic (très facile à utiliser) on calculait la vitesse de la voiture (supposée constante) grâce au temps mis par la voiture pour passer devant les deux diodes (séparées d'une distance pré-établie).

Malheureusement je n'ai plus aucune trace de ça, mais si ça t'intéresse je peux aider à le refaire... Il y a plusieurs choses mais rien de compliqué.

Pour plus de détails :

-La voiture était en fait une plaque de plexi sous laquelle on avait fixé quatre roues montées sur axes, en motorisant les roues arrières. Tu peux faire ça facilement avec des mécanos, mais faire attention au poids de la voiture. Pcq roues+engrenages+plaque+moteur +pile+haut parleur, faut que le moteur soit assez puissant pour entrainer tout ça assez vite pour avoir un effet Doppler utilisable.

-un petit haut parleur t'en trouve des pas chers dans n'importe quel magasin d'électronique. Nous on l'avait fixé au plexi, et branché par des fils très souples à un générateur de fréquence.

-On avait utilisé des morceaux d'un circuit de voitures pour enfant, pour faire la piste rectiligne.

-Le circuit du micro on l'avait fait nous même, rien de compliqué. Mais tu peux en trouver des tout fait je pense, et pas cher. on renvoyait le signal sur un oscillo sur lequel on faisait une "impression écran" lorsque la voiture roulait. on mesurait ensuite les fréquences.

Voila, si tu as des questions, n'hésites pas.

[invite8c0e3bb7]

Merci de ta réponse !

Donc ca c'est un peu précisé depuis, on peut désormais transferer l'oscillo sur pc (ce qui n'était pas possible avant).

Et c'est vrai que l'histoire de voiture en live est pas mal du tout ...

Donc en fait on construirait une voiture motorisé avec un émetteur de son puis on placerait un micro au milieu de la trajectoire tout ca relié au pc pour pourvoir "stopper" l'écran.
Ensuite on montrera que la fréquence change selon la position de la voiture on l'appuiera d'un schéma, et on "redémontrera" l'effet doppler.
Mais quand tu dis calculer la vitesse de la voiture, tu parles de variation de fréquence, la fréquence a un instant donné suffit non ?
Ce calcul serait une transition en quelque sortes ...

Et pour l'idée du radar ca peut être sympa, je sais pas trop si on va réussir a le mettre en oeuvre mais on peut essayer ..

Du coup le plan ferait :

I] Introduction au son et a la fréquence
II] L'effet Doppler
1°) Définition et explication
a) Qu'est ce que l'effet doppler ?
b) Expérience pour une meilleure compréhension
(on montre les variations de la fréquence selon les positions avec un schéma)
2°) Formule numérique
a) Démonstration de la formule
b) Calcul de la vitesse de la voiture grâce a la fréquence
c) Mise en évidence du principe du radar par le calcul vitesse voiture grâce aux photos diodes
III] Différentes applications a la vie ( ... ... ...)

Je pense que ca peut le faire, il faut qu'on voit pour le matos, la voiture semble être difficile a construire, on prendra plutôt une voiture jouet, que l'on lancera et ou l'on considerera que la vitesse est rectiligne uniforme entre les deux photodiodes ...

Mais comment vous avez realiser cette expérience, la voiture passe trop vite pour faire une impression d'écran non ?
car ce qui m'embête c'est pour montrer les différences de fréquence aux différents endroits, comment faire ca en live ? il faut avoir l'image de l'oscillo a différents endroits, comment faire ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitee9281902]

salut, et désolé pour cette réponse tardive...

Oui tu as raison, la fréquence à un instant donné suffit pour le calcul de la vitesse. et la voiture ne va pas trop vite pour l'expérience. Pour faire simple :

Tu te mets sur une longue table, genre 4m de long (ou sur le sol, mais c'est moins confortable). Au bout tu places ton récepteur (micro), branché sur oscillo, sur lequel tu peux faire ta capture d'écran.
Tu lances ta voiture, qui émet un son dont la fréquence est connue. Lorsque la voiture est en train de se rapprocher, tu fais ta capture d'écran sur l'oscillo. Tu as donc toutes les données : fréquence émise, fréquence reçue et célérité. Bien sur tu considères que la vitesse est uniforme et que le trajet est rectiligne (d'où l'intérêt des rails de circuit). Au pire tu peux dire que tu calcules la vitesse à un instant donné. Tu a donc tout ce qu'il faut pour démontrer l'effet doppler, et son intêret pour le calcul de vitesse, et donc de radar.

Bien sur dans les radars, l'onde EM est émise et reçue par le même objet, la voiture ne faisant que réfléchir cette onde, et le calcul est un peu plus complexe, prenant en compte les angles de réflexion. Mais le principe est là.

Ensuite, le montage des photodiodes ne sert qu'à confirmer ton calcul. Il calcule la vitesse par la formule v=d/t. Si tu insères ce montage dans l'expérience, il faut être sur d'avoir une vitesse quasi constante entre tes photodiodes, sinon le calcul sera faux et te donnera une vitesse "moyenne", qui ne sera pas la même que celle calculée par le doppler, qui elle est instantanée. D'où l'intérêt d'utiliser une voiture sur moteur, alimentée à tension constante, et roulant donc à vitesse constante. Tu dois juste t'arranger pour que la phase d'accélération (quasi instantanée) se fasse avant la passage devant la première photodiode.

Voila, si tu as d'autres questions, n'hésites pas, j'essaierai d'être plus rapide pour répondre...

[invite2313209787891133]

J'ai un tres vieux Sciences et Vie où ils donnaient une exprience facile à realiser: Un simple petit haut parler relié à un montage astable par un fil electrique souple de 1 à 2 metres.
Il suffit de faire tournoyer le haut parleur au dessus de sa tête pour entendre une variation de la frequence sonore.

[invitee9281902]

J'ai un tres vieux Sciences et Vie où ils donnaient une exprience facile à realiser: Un simple petit haut parler relié à un montage astable par un fil electrique souple de 1 à 2 metres.
Il suffit de faire tournoyer le haut parleur au dessus de sa tête pour entendre une variation de la frequence sonore.

Ouais j'avais vu cette expérience, mais pas de mouvement rectiligne, pas de calcul de vitesse... après ça dépend de l'expérience que tu veux montrer...

Sinon ya aussi le petit HP monté sur une espèce de balle percé en son centre. Tu mets deux longs fils dans le trou, les fils sont fixés d'un côté (à une poignée de porte par exemple, et tu tiens les deux autres bouts dans chaque main. Tu places la balle de ton côté, et en ecartant les deux fils brusquement, ça fait une glissière, la balle glisse le long des deux fils. Là t'as un mouvement rectiligne. l'effet doppler est audible et mesurable. Tu peux prendre une balle ou autre chose, c'est toi qui vois.

Vois ce lien, il décrit l'espérience :

http://www.masc.ulg.ac.be/fiches/FR/effetdoppler.pdf

[invite8c0e3bb7]

Bon le dossier écrit est presque bouclé, la partie qui reste en sursi est celle de l'experience car on a éssayé d 'enregistrer un effet doppler avec un micro relié a un programme qui donne un tracé de courbe (gts2) et ca marche pas, les micros sont capricieux et surement de mauvaise qualité ...

Du coup c'est un peu chaud, parce que en plus, comment t'as fait pour calculer la fréquence ? la courbe obtenue est beaucoup trop "brouillon", comme elle capte tous les bruits "ambiants" la courbe est inutilisable ..

Nos profs ont éssayé et ca a rien donné, on espère donc réussir a faire une courbe ou un effet doppler est visible d'ici l'oral ...
On ne calculera donc pas la vitesse mais l'on montrera juste la variation de fréquence .. c'est trés minimaliste mais rien ne semble marcher

[invite8c0e3bb7]

Je remonte le topic vite fait, le dossier est rendu ect ...

Et honte sur moi, je l'avoue, j'ai écris a un moment quelque chose sans chercher a comprendre et je l'ai recopier comme telle, j'ai compris toute ma démonstration sauf cette petite partie :

D'où finalement :

f ' = f ( 1 ± v / c ) / ( 1 ± (-v) / c )

Ceci est une formule exacte, valable dans tous les cas. Mais la plupart du temps, la vitesse v de l'obstacle est très petite devant la vitesse c de propagation des ondes : on peut alors obtenir une bonne approximation de cette formule en la linéarisant par un déloppement limité à l'ordre 1 en v / c. On obtient finalement :

f ' = f ( 1 ± 2 v / c )

si on pouvait m'expliquer qu'est ce que le développement limité a l'ordre 1/2 ca m'aiderait a pas avoir l'air con devant les jurys merci

[Flyingsquirrel]

Salut
Un développement limité à l'ordre 1 (pourquoi 1/2 ?) c'est, dans ce cas, la même chose que l'approximation pour v "petit" devant c (soit v/c proche de 0) et . À toi de le montrer .

[invite8c0e3bb7]

Dis comme ca je t'avoue que le tout reste un peu flou, tu pourrais juste détaillé un peu silteplait ?

[Flyingsquirrel]

En première on voit, en même tant que les dérivées, une formule d'approximation : valable pour h<<a. Ici il suffit d'appliquer ça en prenant h=0, a=v/c et f la fonction donnée plus haut.

[Flyingsquirrel]

Dans le dernier message lire h<<1 et pas h<<a.

[invite8c0e3bb7]

j'ai bien vu cette formule qui est en fait une approximation affine de la courbe a l'endroit ou la tangeante passe mais l'esprit mathématiques doit me manquer ca j'ai éssayé de tourner la chose sur le papier et je ne comprend pas comment faire ...

tu as dit on considère h = 0 et a = (v/c) mais alors on devrait avoir :
f(v/c) = f(v/c) + (0 x f '(v/c))
Et tu n'as pas écris ca, de plus comment intégrer le :
f(x) = 1+x / 1+ (-x) ?

j'ai éssayé de visualiser mais je n'arrive toujours pas a voir comment passer d'une étape a l'autre, je sais quer c'est beaucoup demander, mais pourrais tu silteplait expliquer ton raisonnement minutieusement par étape ?
Car la je suis désolé, mais j'y vois vraiment pas clair : /
Et je t'avoue que mon oral est aprés demain donc que je commence a me presser un peu, mais c'est vraiment le seul probleme rencontré pour ma part.

[Flyingsquirrel]

tu as dit on considère h = 0 et a = (v/c) mais alors on devrait avoir :

C'est l'inverse, a=0 et h=v/c, désolé.
Ça donne

Ensuite il n'y a plus qu'à calculer f' et à remplacer f(0) et f'(0) par leurs valeurs et tu tombe sur ce qui est donné.