Physique - ChimieTerminale série S

Thème : Observer - Ondes et matière Type de ressources : Activité expérimentale évaluée par compétences

Notions et contenus : Effet Doppler

Compétence travaillée ou évaluée : Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour mesurer une vitesse en utilisant l’effet Doppler.

Nature de l’activité : Activité expérimentale présentée sous forme de tâches complexes permettant à l’élève de mettre en œuvre son protocole.

Résumé (en 5 lignes au plus) : Cette activité traite l’effet Doppler en utilisant les ondes ultrasonores. A partir de documents, les élèves proposent une démarche expérimentale pour mesurer la vitesse d’un objet en mouvement en utilisant l’effet Doppler. Ils mettent en œuvre une seconde méthode en utilisant une vidéo. Ils confrontent leurs résultats obtenus par ces deux méthodes. L’évaluation se fait en classe en utilisant des niveaux identiques à ceux de l’évaluation des capacités expérimentales au baccalauréat.

Mots clefs : Mesure de la vitesse – Effet Doppler – Evaluation de compétences expérimentales

Académie de Montpellier http://sciences-physiques.ac-montpellier.fr/

1

Mesure de la vitesse en utilisant l’effet Doppler

Table des matières

1. Présentation du principe du radar.......................................................................................................22. Mission pour les élèves...................................................................................................................... 33. Supports de travail pour les élèves.....................................................................................................34. Schémas à l’attention des professeurs...............................................................................................55. Note à l’attention des professeurs......................................................................................................66. Proposition pour une évaluation par compétences.............................................................................9

1. Présentation du principe du radar

L'effet Doppler fut présenté par Christian Doppler en 1842 pour les ondes sonores puis par Hippolyte Fizeau pour les ondes électromagnétiques en 1848. Il a aujourd'hui de multiples applications.

Radar manuel « Mesta 208 »

Un Radar (Radio Detection And Ranging) de contrôle routier est un appareil servant à mesurer la vitesse des véhicules circulant sur la voie publique à l'aide d'ondes électromagnétiques radio. Un radar manuel type Mesta émet une onde continue de fréquence 24,150 GHz qui est réfléchie par la voiture se trouvant dans la direction pointée. Par effet Doppler, cette onde réfléchie possède une fréquence légèrement différente de celle émise : plus grande fréquence pour les véhicules s'approchant du radar et plus petite pour ceux s'en éloignant.

En mesurant la différence de fréquence entre l’onde émise fE et l’onde réfléchie fR, on peut calculer la vitesse de la voiture. Nous nous plaçons dans des conditions où cette différence de fréquence peut s’écrire :

Où c est la célérité de l’onde dans l’air et la vitesse de la voiture.

Remarque : dans l’activité expérimentale proposée, on travaillera avec des ondes ultrasonores de célérité notée c = 340 m.s-1.

2

2. Mission pour les élèves

Votre mission

En vous aidant des documents mis à votre disposition :

1. Elaborer un protocole expérimental pour mesurer la vitesse vdo de la voiture en utilisant l’effet Doppler.

2. Mettre en œuvre le protocole proposé.3. Comparer le résultat obtenu à celui que l’on peut obtenir vV à partir d’une

vidéo. 4. Rédiger un compte-rendu présentant votre démarche expérimentale.

Procéder à l’auto-évaluation pour chaque groupe- Entourer le niveau de compétence (A, B, C ou D) que vous pensez avoir acquis au cours de

cette séance - Appeler le professeur pour qu’il confronte son évaluation à la votre :

Fiche d’évaluation : pratiquer une démarche expérimentale en classe

Compétence Auto-évaluation

Evaluation professeur capacités et attitudes attendues

Analyser A B C D A B C D - élaborer un protocole expérimentalRéaliser A B C D A B C D - mettre en œuvre un protocole

Valider A B C D A B C D- exploiter et interpréter des mesures pour valider les résultats

3. Supports de travail pour les élèves

- Document 1 : Fiche technique de l’émetteur et du récepteur à ultrasons.

- Document 2 : Schéma synoptique d’un dispositif permettant la mesure de la vitesse en utilisant l’effet Doppler avec une boîte «RADAR».

- Document 3 : Document (non fourni dans cette étude) permettant l’utilisation de la webcam pour effectuer une acquisition vidéo et une mesure de la vitesse de l’objet filmé. Ce document est à fournir par l’enseignant suivant l’équipement du laboratoire.

3

Entrée UE E Emission d’une onde ultra sonore de même fréquence que celle de UE

Sortie : tension UR de même fréquence que

l’onde US reçue

R Réception d’une onde ultra sonore de fréquence fR

Emetteur à Ultrasons

Récepteur à Ultrasons

Générateur de tension sinusoïdale

Interface d’ordinateur-logiciel d’acquisition

Webcam

Ordinateur

Dispositif « Radar » utilisant l’effet Doppler

Dispositif « Caméra »

dispositifRADAR

UE UR

A la sortie de ce dispositif RADAR, on dispose d’une tension sinusoïdale U4 de fréquence égale à la différence des fréquences des tensions d’entrée (UE et UR) notée : f = fR – fE

Document 1: Fiche technique de l’émetteur et du récepteur à ultrasons Air Ultrasonic Ceramic transducers ( http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/109543/ETC/400ST160.html)

Type 400ST160 Transmitter : Transmitting Sound PressureLevel Frequency: 40.0KhzTransducteur d’onde électrique (tension sinusoïdale UE) en onde sonore (pression de l’air)

Type 400SR160 Receiver Center Frequency 40.01.0KhzTransducteur d’onde sonore (pression) en onde électrique (tension sinusoïdale UR)

Document 2: Schéma synoptique d’un dispositif permettant la mesure de la vitesse en utilisant l’effet Doppler

Tension UE voiture en mouvement

UE

U4

4

Emetteur à Ultrasons

Récepteur à Ultrasons

Générateur de tensions sinusoïdales

Circuit multiplieur

Filtre actifInterface d’ordinateur-logiciel d’acquisition

Webcam

Ordinateur

Dispositif « Radar » utilisant l’effet Doppler Dispositif « Caméra »

Circuit multiplieur Filtre actif

Document 3: A fournir par le professeur suivant le matériel du laboratoire choisi pour l’acquisition vidéo.

4. Schémas à l’attention des professeurs

La boîte Radar prête comporte un circuit multiplieur et un filtre actif.

Document 1: Schéma synoptique pour le professeur d’un dispositif permettant la mesure de la vitesse en utilisant l’effet Doppler

Tension UE voiture en mouvement

UE

UE UR

U3

U4

Document 2 : Rôle du montage multiplieur et du filtre actif

A la sortie du montage constitué du circuit multiplieur et du filtre actif, on dispose d’une tension sinusoïdale U4 de fréquence égale à la différence des fréquences des tensions d’entrée (UE et UR) notée : f = fR – fE

Tension UE de fréquence fE Tension U4 de fréquence Tension UR de fréquence fR ∆f = fR – fE

5

1 82 AD 633 7Circuit X 6 3

4 5

- AO 081

+

Sortie : interface d’acquisition de l’ordinateur

Document 3 : Schéma électrique du circuit multiplieur et du filtre actif

C= 100nF

R2 = 10kΩ

UE +15V R1 = 1kΩ U3

Interface U4

UR

-15V

5. Note à l’attention des professeurs

Suivant le matériel le professeur veillera à ajuster la fréquence pour obtenir un signal d’amplitude maximale aux bornes du récepteur à ultrasons positionné à proximité de l’émetteur. On travaille ici avec fE= 40,5 kHz.

Le circuit multiplieur est réalisable avec le circuit multiplieur (de type AD 633) de l’ancien programme de TS spécialité concernant les télécommunications.Le filtre actif est réalisé par un Amplificateur Opérationnel 081 ou 741, souvent utilisé dans les anciens programmes de MPI.

Rôle du circuit multiplieurSi on considère la tension aux bornes de l’émetteur : UE(t) =UEm.cos (2π.fE.t) et la tension aux bornes du récepteur : UR(t) =URm.cos (2π.fR.t).En effectuant la multiplication de ces deux tensions, on obtient une tension de la forme : U3(t) = UE(t) x UR(t)/10 = 1/20.(URm + UEm).[cos2π.(fE+ fR).t + cos2π.( fE - fR)t]U3(t) = 1/20.(UEm + URm).[cos2π.( fE + fR).t + cos2π∆f.t]Le coefficient 1/10 est dû au multiplieur choisi.

Rôle du filtre actif Le filtre actif est un filtre passe-bas de fréquence de coupure fc = 1/2πR 2C =159 Hz et de rapport d’amplification R2/R1 =10.Il a donc a pour rôle de supprimer la composante de fréquence fe+fr qui est proche de 80kHz et de conserver le signal de fréquence ∆f inférieure à 160Hz (pour notre choix de vitesse). Les mesures de fréquences ∆f restent dans la bande passante à – 3dB du filtre et on obtient donc une amplitude suffisante pour U4(t).On peut alors visualiser à l’ordinateur U4(t).U4(t) = -10.1/20 (UEm + URm).cos2π∆f.t = - 1/2 (UEm + URm).cos2π∆f.t

Organisation du travail en groupes Plusieurs groupements sont possibles, par exemple : - Faire des groupes de 4 élèves qui travaillent ensemble pour proposer les protocoles, puis qui se séparent en deux binômes pour réaliser les protocoles

6

- Les élèves travaillent toute la séance en binômes, ils commencent par l’un ou l’autre protocole et changent de poste pendant la séance : 1 poste pour la mesure en utilisant l’effet Doppler et 1 poste utilisant la webcam. L’évaluation peut se faire sur le groupe.

Proposition de compte-rendu L’encadré ci-dessous est un exemple de ce que pourrait être un compte-rendu d’élève relevé en fin de séance ou attendu à la maison.

Liste du matériel nécessaire : pour 4 élèves

Poste 1 :1- Ordinateur et la carte d’acquisition 2- 1 oscilloscope 3- 1 générateur de fonction 4- 1 Alimentation symétrique (-15V ; +15V)5- 1 émetteur et 1 récepteur à Ultrasons6- 1 circuit multiplieur du type AD 633 7- 1 Amplificateur opérationnel du type 0818- 2 conducteurs ohmiques R1 = 1kΩ et R2 = 10kΩ9- 1 condensateur de capacité C = 100nF10- 1 règle graduée (1m) et un objet mobile.11- Voiture équipée d’un petit écran pour la réflexion(5, 6, 7, 8 sont à assembler dans une « boîte noire »)

Poste 2 :1- Ordinateur et carte d’acquisition vidéo 2- Webcam

Exemples de résultats obtenus Pour c = 340m.s-1 et fE = 40,5 kHzPar effet Doppler on a v = ∆f. c /2fePar mesure vidéo on a relevé sur d = 10 cm ∆t ; on calcule Vv = d/∆t

T (s) (mesure par effet Doppler)

∆f(Hz) (mesure par effet Doppler)

∆t (s)(mesure par vidéo)

Vdo(m.s-1)(mesure par effet Doppler)

Vv(m.s-1)(mesure par vidéo)

Essai 1 0.0300 33.33 0.799 0.14 0.13Essai 2 0.0128 78.12 0.266 0.33 0.38Essai 3 0.0190 52.63 0.399 0.22 0.25Essai 4 0.0150 66.67 0.333 0.28 0.30

Exemple de relevés :Essai 0 : l’objet est au repos

7

Compte-rendu de la démarche L’émetteur émet des ondes ultrasonores de fréquence fE = 40kHz en direction d’un objet mobile se déplaçant à la vitesse v. Le récepteur reçoit les ondes réfléchies par l’objet de fréquence f R

différente de fE.Le dispositif Radar permet de capter une tension électrique de fréquence égale à la différence des fréquences ∆f. L’interface et l’ordinateur permettent de la visualiser et de mesurer sa fréquence ∆f. La relation v = ∆f.c/2fE permet de déterminer cette vitesse. Nous filmons à l’aide d’une webcam puis traitons à l’aide d’un logiciel de traitement vidéo le déplacement de l’objet en mouvement rectiligne uniforme afin de comparer les résultats des mesures de vitesse.

20 40 60 80 100 120 140

t (ms)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

u (V)

Essai 1 : T = 0.030s ∆f = 1 / 0.03 =33.3 Hz, l’objet est à la vitesse Vdo = 0,14 m.s-1

T= 0.03s

20 40 60 80 100 120 140

t (ms)

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

u (V)

Sur les séries de mesures, la difficulté est de repérer sur la vidéo la zone d’étude afin de limiter les erreurs. Il faut pouvoir obtenir une vitesse constante sur la zone étudiée.

Conclusion : ces deux dispositifs permettent d’obtenir des mesures très proches et offrent une précision correcte.

6. Proposition pour une évaluation par compétencesL’évaluation est formative, elle prépare les élèves à l’évaluation par compétences de l’épreuve expérimentale du baccalauréat.

Grille d’évaluation

8

Il s’agit dans cette partie de proposer une évaluation sur deux macro-compétences liées à la démarche scientifique :- pratiquer une démarche expérimentale- rendre compte scientifiquement

Parmi les 6 compétences travaillées dans cette activité expérimentale, le choix est fait d’en évaluer 3 pendant l’activité en classe.

Pratiquer une démarche expérimentale en classe

Compétence niveau capacités et attitudes attendues

S’approprier Non évaluée- Identifier clairement la problématique- Extraire et organiser l’information des documents en lien avec la

situationAnalyser A B C D - élaborer un protocole expérimentalRéaliser A B C D - mettre en œuvre un protocole

Valider A B C D - exploiter et interpréter des mesures pour valider les résultats

Communiquer Non évaluée - Rendre compte de façon écriteÊtre autonome,

faire preuve d’initiative

Non évalué- travailler en groupe- demander une aide pertinente.

Le compte rendu peut être fait en classe ou à la maison, il n’est pas évalué pendant la séance.

Rendre compte d’une démarche scientifique à l’écrit

Communiquer NiveauA B C D

- utiliser le vocabulaire scientifique adapté- présenter la démarche de manière cohérente, complète et

compréhensible

Rappel des niveaux d’acquisition de la compétence – description généraleL'évaluation permet d’apprécier, selon quatre niveaux, l’acquisition par l’élève de chacune des compétences évaluées.

Niveau A : l’élève a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante selon les critères précisés dans l’activité ou avec une ou deux interventions du professeur, concernant des difficultés identifiées et explicitées par l’élève et auxquelles il apporte une réponse quasiment de lui-même.

Niveau B : l’élève a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante selon les critères précisés dans le sujet mais avec quelques interventions du professeur concernant des difficultés ou erreurs non identifiées par l’élève mais résolues par celui-ci après avoir réfléchi suite à un questionnement ouvert mené par le professeur ou par l’apport d’une solution partielle (coup de pouce) dans le cas d’une compétence affectée d’un fort coefficient.

Niveau C : l’élève reste bloqué dans l’avancement de la tâche demandée, malgré les questions posées par le professeur. Des éléments de solutions lui sont apportés, ce qui lui permet de poursuivre la tâche.

Niveau D : l’élève a été incapable de réaliser la tâche demandée malgré les éléments de réponses apportés par le professeur. Cette situation conduit le professeur à fournir une solution complète de la tâche : par exemple un protocole à réaliser ou des valeurs à exploiter pour permettre l’évaluation des autres compétences du sujet.

Repères pour l’évaluation de l’activité

Analyse du problème: évaluation de la compétence AnalyserLa capacité testée est celle d’élaborer un protocole expérimental à partir des documents fournis : elle est évaluée globalement pour les deux protocoles.

9

Exemple de protocole pour l’effet doppler 1- Alimenter l’émetteur à US avec un générateur qui fournit une tension UE de fréquence fE = 40 kHz et d’amplitude quelques volts (lecture documents 1 et 2).2 - Utiliser un récepteur à US pour capturer l’onde réfléchie sur la voiture de fréquence fR. Vérifier que le

récepteur capte correctement ce signal.3 - Entrer des tensions électriques UR et UE sur la boîte « dispositif RADAR » pour obtenir la tension U4 de fréquence (lecture document 2)4 - Utiliser un logiciel d’acquisition ou un oscilloscope pour visualiser la tension U4

5 - Mettre la voiture en mouvement 6 - Mesurer T4 de U4 pour calculer 7 - Calculer vdo

Exemple de protocole Webcam- Placer une règle pour l’échelle- Enregistrer le mouvement de la voiture (cf. document 3 à fournir par l’enseignant) - Utiliser un logiciel de pointage pour mesurer d et et en déduire vc (cf. méthode de pointage travaillée dès la Seconde et que les élèves utilisent le jour du bac)

Niveau de compétence atteint :A : certains points du protocole sont flous, le professeur peut demander des précisions par des questions ouvertes sur des difficultés identifiées par l’élève. On peut attendre de l’élève ou du groupe qu’il précise notamment le matériel et les logiciels, qu’il précise qu’il faut alimenter l’émetteur avec un générateur qui fournit une tension périodique, qu’il propose les branchements de l’émetteur et du récepteur sur le dispositif RADAR, qu’il visualise le signal de fréquence pour mesurer sa période avec un logiciel puis qu’il calcule la vitesse. Les élèves doivent corriger d’eux-mêmes.

B : certains points du protocole sont flous ou incomplets et absents. Le professeur intervient sur ces difficultés non identifiées, il mène un questionnement ouvert. L’élève (ou le groupe) corrige de lui-même. Exemple de situation appelant un questionnement ouvert du professeur- «alimenter l’émetteur» n’apparait pas dans le protocole (point absent) - alimenter l’émetteur « avec un générateur de tension de fréquence fE (point incomplet)» n’apparaît pas- le paramétrage du logiciel de pointage n’apparait pas dans le protocole

C : les élèves n’arrivent pas à corriger d’eux-mêmes. Des coups de pouce (un ou deux) ou indices sont apportés.

Exemples de coups de pouce :1. Alimenter l’émetteur avec un générateur de tension périodique pour qu’il émette une onde US

de même fréquence.2. Visualiser la tension U4 de fréquence avec le logiciel Généris3. Mesurer la période pour calculer la fréquence4. Calculer v avec la relation de l’effet Doppler5. Placer une règle graduée le long du parcours de la voiture pour avoir l’échelle lors de

l’enregistrement de la vidéo avec la webcam6. Se placer sur une partie de l’enregistrement vidéo (protocole Webcam) où la vitesse est

constante pour l’évaluer lorsque vous allez faire le pointage.

D : le protocole n’est pas élaboré, les informations fournies dans les documents n’ont pas été extraites et analysées. Le protocole complet est apporté par le professeur.

10

Remarque : le professeur peut choisir de ne pas attendre toutes ces points du protocole mais uniquement certains qui lui paraissent essentiels.

Proposition de protocole : évaluation de la compétence RéaliserLa capacité testée est celle de mettre en œuvre le protocole expérimental c'est-à-dire de suivre le protocole élaboré, d’utiliser convenablement le matériel expérimental et d’effectuer des mesures correcte avec celui-ci.

Exemple de protocole apporté à l’élève ou au groupe : (niveau D) 1- Alimenter l’émetteur à US avec un générateur qui fournit une tension UE de fréquence fE = 40 kHz

et d’amplitude quelques volts (lecture documents 1 et 2).2- Utiliser un récepteur à US pour capturer l’onde réfléchie sur la voiture de fréquence fR. Vérifier que

le récepteur capte correctement ce signal.3- Positionner le récepteur à côté de l’émetteur.4- Connecter l’émetteur et le récepteur à l’entrée du dispositif RADAR et la sortie à l’interface

d’acquisition (lecture document 2).5- Positionner le mobile et la règle pour effectuer la mesure.6- Régler le logiciel d’acquisition (Généris 5+ ici durée d’acquisition = 150ms) 7- Régler la Webcam et le logiciel d’acquisition vidéo. (temps d’acquisition à 10 s et 30

images /seconde).8- Lancer dans l’ordre l’acquisition vidéo, la mise en mouvement du mobile et l’acquisition par

effet Doppler.9- Déterminer la période de U4(t), calcule ∆f puis vdo

10- Calculer vc avec la vidéoOn peut effectuer un essai avec le mobile au repos (essai 0) afin de constater que ∆f = 0.

Exemples de question ouverteSi l’élève n’a pas connecté l’émetteur sur le générateur : «Pensez-vous que l’émetteur émet une onde ?»Pour le protocole Webcam, si l’élève n’a pas mis la règle : « comment allez-vous trouver la distance réellement parcourue par la voiture ? »

Exemples de réalisation du professeur pour faire avancer le travail des élèves 1. Le professeur branche le générateur sur l’émetteur2. Le professeur effectue le paramétrage du logiciel de pointage

11