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L’effet Doppler : corrigé des exercices de sciences physiques terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

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L’effet Doppler : corrigé des exercices de sciences physiques terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

Voici le corrigé détaillé des exercices sur l’effet Doppler. Compare chaque démarche avec la tienne : pour ce chapitre, le sens du décalage (rapprochement ou éloignement) et le choix de la bonne formule comptent autant que le calcul.

Ce corrigé est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.

La correction détaillée : corrigé effet Doppler

Correction de l’exercice 1 : Questions de cours

1. Δf = fr − fe : écart entre la fréquence reçue et la fréquence émise, dû au mouvement relatif de la source et du récepteur.
2. Rapprochement : Δf > 0 ; éloignement : Δf < 0.
3. Elle ne dépend que du milieu de propagation (nature, température), pas du mouvement de la source.
4. La cible mobile reçoit l’onde avec un premier décalage (elle joue le rôle de récepteur mobile), puis la réémet avec un second décalage de même sens (elle joue le rôle de source mobile) : le décalage total est doublé.

Correction de l’exercice 2 : Vrai ou faux ?

a. Faux : il existe pour toutes les ondes, sonores, lumineuses, radar, ultrasonores.
b. Vrai : fr = fe × v ÷ (v − vs) > fe.
c. Faux : la source émet toujours fe ; c’est la fréquence reçue qui change.
d. Faux : la célérité ne dépend que du milieu.
e. Vrai : λ augmente, d’où le décalage vers le rouge.
f. Vrai : seule la composante de la vitesse le long du faisceau intervient.

Correction de l’exercice 3 : Fronts d’onde d’une source mobile

1. La source se déplace vers la gauche : les fronts sont comprimés à gauche, donc c’est A qui les reçoit les plus rapprochés.
2. A : les fronts arrivent plus souvent, la fréquence reçue est supérieure à fe (source qui s’approche de A).
3. λA < λe < λB : A perçoit une longueur d’onde plus courte que B.
4. Les cercles seraient concentriques, régulièrement espacés de λe, et A et B recevraient la même fréquence fe.

Correction de l’exercice 4 : Une ambulance sur l’autoroute

1. fr = fe × v ÷ (v − vs) = 800 × 340 ÷ (340 − 20) = 800 × 340 ÷ 320 = 850 Hz.
2. fr = 800 × 340 ÷ (340 + 20) = 800 × 340 ÷ 360 ≈ 756 Hz.
3. À l’approche : Δf = 850 − 800 = +50 Hz (son plus aigu). À l’éloignement : Δf = 756 − 800 ≈ −44 Hz (son plus grave). Les deux valeurs absolues diffèrent : le phénomène n’est pas symétrique.

Correction de l’exercice 5 : Un récepteur qui bouge

1. À l’approche : fr = fe × (1 + vr ÷ v) = 1 000 × (1 + 15 ÷ 340) ≈ 1 044 Hz. À l’éloignement : fr = 1 000 × (1 − 15 ÷ 340) ≈ 956 Hz.
2. Δf ≈ +44 Hz à l’approche et −44 Hz à l’éloignement : ici, le décalage est symétrique car la formule est linéaire en vr.
3. Non : la source est fixe, la longueur d’onde dans l’air reste λe = v ÷ fe = 0,34 m ; c’est le récepteur qui rencontre les fronts plus ou moins souvent.

Correction de l’exercice 6 : Retrouver la vitesse d’un véhicule

1. fr = fe × v ÷ (v − vs) donne fr × (v − vs) = fe × v, d’où vs = v × (1 − fe ÷ fr).
2. vs = 340 × (1 − 1 000 ÷ 1 060) = 340 × 0,0566 ≈ 19 m/s, soit 19,2 × 3,6 ≈ 69 km/h.

Correction de l’exercice 7 : Le klaxon d’un train

1. Avant le passage : 538 Hz environ ; après : 467 Hz environ.
2. La fréquence chute entre 3,5 s et 6 s : le train passe vers t ≈ 5 s.
3. vs = v × (1 − fe ÷ fr) = 340 × (1 − 500 ÷ 538) = 340 × 0,0706 ≈ 24 m/s, soit environ 86 km/h.
4. Après le passage : fr = 500 × 340 ÷ (340 + 24) ≈ 467 Hz, ce qui est cohérent avec la lecture.

Correction de l’exercice 8 : Une étoile qui s’éloigne

1. λ mesurée > λ0 : la raie est décalée vers le rouge, l’étoile s’éloigne.
2. Δλ = 503,0 − 500 = 3,0 nm ; v = c × Δλ ÷ λ0 = 3,00 × 108 × 3,0 ÷ 500 = 1,8 × 106 m/s, soit 1,8 × 103 km/s.

Correction de l’exercice 9 : Raie Hα d’une galaxie

1. Laboratoire : 656,3 nm ; galaxie : 659,6 nm.
2. Δλ = 659,6 − 656,3 = 3,3 nm.
3. v = 3,00 × 108 × 3,3 ÷ 656,3 ≈ 1,5 × 106 m/s. La longueur d’onde a augmenté : la galaxie s’éloigne.

Correction de l’exercice 10 : Un radar routier

1. 90 ÷ 3,6 = 25 m/s.
2. La voiture reçoit l’onde avec un décalage (récepteur mobile), puis la réfléchit en jouant le rôle d’une source mobile : le même décalage s’ajoute une seconde fois.
3. Δf = 2 × fe × v ÷ c = 2 × 24,0 × 109 × 25 ÷ 3,00 × 108 = 4,0 × 103 Hz, soit 4,0 kHz (positif : rapprochement).

Correction de l’exercice 11 : Contrôle de vitesse

1. De Δf = 2 fe v ÷ c, on tire v = Δf × c ÷ (2 fe).
2. v = 5,2 × 103 × 3,00 × 108 ÷ (2 × 24,0 × 109) = 32,5 m/s, soit 32,5 × 3,6 = 117 km/h.
3. Oui : 117 km/h dépasse 110 km/h.

Correction de l’exercice 12 : Échographie Doppler

1. Les ultrasons ont une longueur d’onde très courte, ce qui donne un faisceau fin et une bonne résolution, et ils ne gênent pas le patient ; de plus, un décalage proportionnel à fe est plus grand en haute fréquence.
2. Δf = 2 × fe × vsang ÷ v = 2 × 5,0 × 106 × 0,50 ÷ 1 540 ≈ 3,2 × 103 Hz.
3. Oui : 3,2 kHz est dans le domaine audible (20 Hz à 20 kHz) ; c’est pourquoi on peut « entendre » le flux sanguin lors d’un examen.

Correction de l’exercice 13 : Étalonner un appareil

1. Les points sont alignés sur une droite passant par l’origine : Δf est proportionnel à v.
2. Coefficient directeur : (6,5 − 0) ÷ (1,0 − 0) = 6,5 kHz par m/s.
3. Valeur théorique : 2 × 5,0 × 106 ÷ 1 540 ≈ 6,5 × 103 Hz par m/s = 6,5 kHz par m/s : accord.
4. v = 4,2 ÷ 6,5 ≈ 0,65 m/s.

Correction de l’exercice 14 : Pourquoi ne voit-on pas l’effet Doppler d’une voiture ?

1. v = 25 m/s ; v ÷ c = 25 ÷ 3,00 × 108 ≈ 8,3 × 10−8.
2. Δλ = λ × v ÷ c = 550 × 8,3 × 10−8 ≈ 4,6 × 10−5 nm : bien trop petit pour être vu.
3. Pour le son, v ÷ vson = 25 ÷ 340 ≈ 7,4 × 10−2, un million de fois plus grand : le décalage est audible. Les vitesses courantes sont négligeables devant c, donc l’effet Doppler de la lumière ne devient mesurable que pour des objets très rapides, comme les galaxies.

Correction de l’exercice 15 : Trois galaxies

1. G1 : Δλ = 4,6 nm, Δλ ÷ λ0 ≈ 7,0 × 10−3. G2 : Δλ = 13,8 nm, rapport ≈ 2,10 × 10−2. G3 : Δλ = 32,9 nm, rapport ≈ 5,01 × 10−2.
2. v = c × Δλ ÷ λ0 : G1 ≈ 2,1 × 106 m/s ; G2 ≈ 6,3 × 106 m/s ; G3 ≈ 1,5 × 107 m/s.
3. G3 fuit le plus vite : c’est la plus lointaine dans cette hypothèse.

Correction de l’exercice 16 : Corriger les erreurs

a. Une source qui s’éloigne produit une fréquence reçue plus petite que fe.
b. La célérité du son ne change pas : elle ne dépend que du milieu.
c. Pour un radar, Δf ≈ 2 × fe × v ÷ c.
d. Une galaxie qui s’éloigne a ses raies décalées vers le rouge.
e. La fréquence émise ne change pas ; c’est la fréquence reçue qui diminue.

Correction de l’exercice 17 : Au plus près de l’observateur

1. La vitesse est perpendiculaire à la droite source-observateur : sa composante utile est nulle, donc fr = fe = 600 Hz.
2. Composante : 30 × cos 60° = 15 m/s. fr = 600 × 340 ÷ (340 − 15) = 600 × 340 ÷ 325 ≈ 628 Hz.
3. L’angle entre la trajectoire et la droite source-observateur varie de façon continue : la composante utile de la vitesse passe progressivement d’une valeur positive à zéro puis à une valeur négative, d’où une transition douce de fr sur le graphique.

Correction de l’exercice 18 : Détecter une planète autour d’une étoile

1. La courbe se répète tous les 4,2 jours (T = 4,2 j) ; l’amplitude vaut 50 m/s.
2. Δλmax = λ0 × v ÷ c = 600 × 50 ÷ 3,00 × 108 = 1,0 × 10−4 nm, soit 0,10 pm : un décalage minuscule, d’où le besoin de spectrographes très précis.
3. L’étoile décrit une petite orbite autour du centre de masse du système : un compagnon invisible (une planète par exemple) tourne autour d’elle avec la même période de 4,2 jours.
4. Une planète massive et proche exerce une plus grande attraction et impose à l’étoile une vitesse plus élevée, donc un décalage Doppler plus grand ; sa courte période permet de voir plusieurs oscillations rapidement.

Correction de l’exercice 19 : Radar et direction de visée

1. 108 ÷ 3,6 = 30 m/s.
2. vfaisceau = 30 × cos 30° ≈ 26,0 m/s.
3. Δf = 2 × 24,0 × 109 × 26,0 ÷ 3,00 × 108 ≈ 4,2 × 103 Hz.
4. En supposant le faisceau aligné, il calculerait v = 26,0 m/s ≈ 93,5 km/h au lieu de 108 km/h. Le radar sous-estime la vitesse réelle quand il vise de biais : l’erreur joue en faveur du conducteur, c’est pourquoi les radars sont placés dans l’axe de la route.

Correction de l’exercice 20 : Une argumentation rigoureuse

Réponse type. La sirène émet toujours la même fréquence fe, fixée par le dispositif. Le mouvement ne change ni fe ni la célérité du son, qui ne dépendent que de la source et du milieu. Ce qui change, c’est la fréquence reçue : à l’approche, les fronts d’onde sont plus rapprochés (λr = (v − vs) × Te plus courte), donc fr = v ÷ λr est plus grande ; à l’éloignement, λr est plus longue et fr plus petite.
Expérience. Un smartphone émet un son pur à 1 000 Hz ; une autre personne enregistre avec une application d’analyse spectrale le pic de fréquence quand le téléphone est porté à vitesse constante vers l’observateur, puis quand il s’en éloigne. On compare ces pics à la valeur au repos : on attend un décalage de quelques hertz proportionnel à la vitesse, et le même téléphone au repos reste à 1 000 Hz.

Comment progresser après ce corrigé

Si tu hésites, dessine d’abord la situation : sens du déplacement, rapprochement ou éloignement, signe attendu de Δf. Écris ensuite la formule adaptée (source mobile, récepteur mobile ou onde réfléchie), remplace par les valeurs avec leurs unités et vérifie que le résultat a le bon signe et un ordre de grandeur raisonnable. Refais les exercices 4, 11 et 18 sans regarder la correction.

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