Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
L'effet Doppler-Fizeau est la modification de la fréquence (et donc de la longueur d'onde) perçue par un observateur lorsque la source et l'observateur sont en mouvement relatif. On parle d'effet Doppler pour les ondes sonores et d'effet Fizeau pour les ondes lumineuses, mais le phénomène est de même nature.
Pour le son : quand la source s'approche de l'observateur, les fronts d'onde se resserrent, la longueur d'onde diminue et la fréquence perçue augmente : le son est plus aigu. Quand la source s'éloigne, c'est l'inverse : le son est plus grave. C'est l'expérience quotidienne de la sirène d'une ambulance qui passe.
Pour la lumière : si la source s'éloigne, la longueur d'onde reçue augmente, le spectre est décalé vers le rouge (redshift). Si elle s'approche, il est décalé vers le bleu (blueshift). En astrophysique, l'observation systématique d'un décalage vers le rouge des galaxies lointaines, d'autant plus marqué qu'elles sont éloignées, constitue une preuve majeure de l'expansion de l'Univers (loi de Hubble).
Source sonore en mouvement, observateur fixe, célérité c, vitesse de source v_s. Approche : f_r = f_e\,\dfrac{c}{c - v_s}. Éloignement : f_r = f_e\,\dfrac{c}{c + v_s}.
Décalage en astrophysique, vitesse faible devant c : \dfrac{\Delta\lambda}{\lambda_e} = \dfrac{v}{c}, avec \Delta\lambda = \lambda_r - \lambda_e.
Radar Doppler (onde réfléchie, aller-retour) : \dfrac{\Delta f}{f} = \dfrac{2v}{c}.
Schéma type : fronts d'onde circulaires resserrés en avant de la source (vers l'observateur) et dilatés en arrière.
On commence toujours par déterminer le sens du mouvement à partir du signe du décalage : fréquence reçue plus grande (ou longueur d'onde plus petite) signifie rapprochement ; l'inverse, éloignement. On choisit ensuite la bonne formule. En astrophysique, on calcule \Delta\lambda = \lambda_r - \lambda_e puis on applique v = c\,\Delta\lambda/\lambda_e. On vérifie l'homogénéité et l'ordre de grandeur.
Bien repérer si on travaille en fréquence ou en longueur d'onde : elles varient en sens inverse. Le facteur 2 du radar (aller-retour) est souvent oublié. Pour la lumière, l'approximation \Delta\lambda/\lambda = v/c n'est valable que si v \ll c : ne pas l'appliquer à des vitesses relativistes sans énoncé. Convertir les nm en m si besoin, et vérifier le signe de \Delta\lambda.
Mémorise l'image de l'ambulance : aigu à l'approche, grave à l'éloignement. Sache énoncer la loi de Hubble en une phrase et la relier au redshift. Pour le radar, n'oublie pas le facteur 2. Les ordres de grandeur attendus : quelques dizaines de Hz d'écart pour le son, des milliers de \text{km·s}^{-1} pour une galaxie.