De même que le son émis par un objet va être perçu plus aigu ou plus grave selon que l’objet s’approche ou s’éloigne de nous, la façon dont va être perçue la lumière émise par un objet va également dépendre de la vitesse relative entre l’objet émetteur et le récepteur : si celui-ci s’éloigne de la source la lumière va être décalée vers le rouge, et dans le cas inverse elle va être décalée vers le bleu. La raison en est que ce que nous percevons de la lumière (comme du son) est sa longueur d’onde (ou, de façon équivalente sa fréquence), et que celles-ci varient selon la vitesse de la source qui l’émet.

Pour comprendre l’origine de cet effet, on peut raisonner de la façon suivante. Supposons on objet émettant un signal quelconque (sonore ou lumineux), que l’on modélise par des « top » émis à intervalles réguliers. Le temps séparant l’émission de deux « top » successifs est appelé la période du signal. Le nombre de « top » émis par seconde est appelé sa fréquence, qui est donnée en hertz (ou Hz). Ces signaux se propagent dans l’espace à une certaine vitesse. Cette vitesse de propagation dépend beaucoup du signal considéré : dans le cas du son, elle est d’environ 1000 km/h dans les conditions de température et de pression régnant dans l’atmosphère terrestre, dans le cas de la lumière, elle est d’environ 300 000 km/h. La façon dont le signal va être perçu dépend de sa fréquence. Dans le cas du son, plus la fréquence est basse, plus le son est perçu comme grave ; plus la fréquence est élevée, plus le son est perçu comme aigu. Dans le cas de la lumière, les plus basses fréquences détectables par l’oeil humain correspondent à la couleur rouge. Les autres fréquences correspondent aux autres couleurs de l’arc-en-ciel : orange, jaune, vert, bleu, indogo et violet. Il existe des fréquences non détectables par nos sens : les sons trop graves pour être détecté sont des infrasons, ceux trop aigus sont les ultrasons. Il en est de même pour la lumière : les ondes radio ont une trop basse fréquence pour être vues, les ultraviolets ou les rayons X ont une fréquence trop élevée. L’effet Doppler vient du fait que la distance qui sépare deux « top » successifs va dépendre de la vitesse de l’objet qui les émet. En effet, si l’on considère la direction dans laquelle se déplace l’objet, la distance séparant les deux « top » va être plus faible que si l’objet était immobile car le second « top » est émis plus près de l’endroit où ce trouve le premier

si on note T la période du signal et c sa vitesse de propagation, la distance séparant deux « top » est c T si l’objet est immobile, mais devient (c - v) T dans la direction vers laquelle se déplace l’objet et (c + v) T dans la direction opposée quand l’objet se déplace à la vitesse v.

. La distance séparant les deux « top » étant plus faible, le nombre de « top » reçus par seconde est plus grand et la fréquence perçue est plus élevée : le son apparaîtra ainsi plus aigu. Dans la direction opposée à celle vers laquelle se déplace l’objet, l’effet s’inverse : la fréquence perçue est plus basse et le son est plus grave. Il est est de même pour la lumière : celle-ci est apparaît plus bleue quand l’objet s’approche de nous et plus rouge quand il s’éloigne.

En pratique cet effet est difficile à detecter par l’oeil humain car ce n’est que dans le cas d’une vitesse relative très élevée (une fraction de la vitesse de la lumière, soit plusieurs milliers de kilomètres par secondes) que l’effet devient perceptible. En revanche, dans le cas du son l’effet est plus facile à ressentir car la vitesse du son est beaucoup plus faible (environ 1 000 km/h), ce qui fait que des vitesses de quelques kilomètres par heure sont aisément décelables.

Néanmoins, avec un appareillage adéquat (par exemple un radar sur l’autoroute...), il est parfaitement possible de mesurer par effet Doppler lumineux des vitesses extrêmement faibles de façon très fiable.

En savoir plus :

 Effet Doppler - cas classique

 Effet Doppler - cas relativiste

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