Effet Doppler
Effet Doppler
Effet Doppler
Mise à jour 29 juillet 2025
L
’effet Doppler, qui peut être considéré comme une « marque » du caractère ondulatoire
d’une onde sonore ou électromagnétique, est évoqué, pour la dernière réforme en cours dans
les lycées, en enseignement de spécialité de terminale, mais aussi cité pour ses applications
médicales dans certaines spécialités de baccalauréats technologiques. En enseignement de spécialité
de terminale, il s’agit : de décrire et interpréter qualitativement les observations correspondant à
une manifestation de l’effet Doppler ; d’établir l’expression du décalage Doppler dans le cas d’un
observateur fixe, d’un émetteur mobile et dans une configuration à une dimension ; d’exploiter
l’expression du décalage Doppler dans des situations variées utilisant des ondes acoustiques ou
des ondes électromagnétiques ; d’exploiter l’expression du décalage Doppler en acoustique pour
déterminer une vitesse.
1. L’EFFET DOPPLER : QUELQUES RAPPELS
1.1. Historique
En 1842, l’Autrichien Christian Doppler (1803-1853) montre que la fréquence
d’une oscillation sonore change quand la source ou l’observateur sont en mouvement. Il essaye ensuite, sans succès, d’appliquer son principe aux ondes lumineuses
pour expliquer les différentes couleurs des étoiles, en particulier pour certaines étoiles
doubles ; Hippolyte Fizeau en 1848 en donnera une interprétation correcte.
En 1845, l’Hollandais Christoph Hendrik Buys Ballot (1817-1890) démontre la
validité du principe de Doppler pour les ondes sonores en constatant le changement de
ton entendu quand des musiciens jouant des instruments à vent, embarqués sur un train
sur la ligne Utrecht-Amsterdam, s’approchent puis s’éloignent de la gare.
1.2. Mise en évidence
Pour une mise en évidence probante, consulter cet excellent site pédagogique
Unisciel qui offre de nombreuses ressources pour l’enseignant (cf. figure 1, page ciaprès).
1.3. L’effet Doppler longitudinal non relativiste en acoustique
En lycée, on aborde le cas d’une source sonore, émettrice de fréquence propre fE ,
qui se rapproche, ou s’éloigne, à la vitesse v, d’un observateur fixe.
? Si la source se rapproche de l’observateur, celui-ci perçoit une fréquence apparente
fR telle que :
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Figure 1 - Mise en évidence de l’effet Doppler pour une onde sonore.
fR = fE #
1
(1)
v
1– v
son
où v son est la célérité des ondes sonores dans le milieu considéré. On a encore, en
exprimant les longueurs d’onde de ces ondes mécaniques progressives :
v
(1) :
m R = m E # a1 – v k .
son
On observe donc fR 2 fE et m R 1 m E .
? Si la source s’éloigne de l’observateur, celui-ci perçoit une fréquence apparente fR
telle que :
fR = fE #
1
v
1+ v
son
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Une animation probante est proposée sur ce site américain de l’Université de Pennsylvanie.
Figure 2 - Animation pour illustrer l’effet Doppler dans le cas d’une source subsonique.
Pour obtenir les relations (1) ou (2), on peut alors remarquer que l’observateur fixe
« verrait » dans l’espace, suivant une direction joignant l’observateur à l’émetteur mobile (problème à une dimension), une « onde » se propageant à la vitesse invariante
v son qui remplirait l’espace avec une longueur d’onde apparente m R différente suivant
que la source se rapproche ou s’éloigne de l’observateur.
? Si la source se rapproche de l’observateur, l’onde sonore perçue par l’observateur est
située en avant de l’émetteur et sa longueur d’onde apparente est :
m R = m E – v # TE .
v
Remarquons que m R = v son # TR et m E = v son # TE . On en tire : m R = m E # a1 – v k ou
son
v
encore TR = TE # a1 – v k , relations équivalentes à (1).
son
? Si la source s’éloigne de l’observateur, l’onde sonore perçue par l’observateur est
située en arrière de l’émetteur et sa longueur d’onde apparente est m R = m E + v # TE .
v
On a toujours : m R = v son # TR et m E = v son # TE . On en tire : m R = m E # a1 + v k ou
Son
v
encore TR = TE # a1 + v k , relations équivalentes à (2).
son
? Remarquons encore que dans le cas où v % v son , les relations (1) et (2) donnent,
au premier ordre, le décalage Doppler Df = fR – fE selon la relation bien connue :
Df
v
fE . ! v son avec « + » si l’émetteur se rapproche de l’observateur et avec le signe « – »
si l’émetteur s’éloigne de l’observateur.
1.4. L’effet Doppler en astrophysique : le redshift
Le déplacement vers les grandes longueurs d’onde des spectres d’émission d’éléments primordiaux comme l’hydrogène et l’hélium présents dans les nuages stellaires
des galaxies met en évidence ce que l’on a appelé l’expansion de l’Univers, qui fait
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où v son est la célérité des ondes sonores dans le milieu considéré. On a encore, en
exprimant les longueurs d’onde de ces ondes mécaniques progressives :
v
(2) :
m R = m E # a1 +
v son k .
On observe donc fR 1 fE et m R 2 m E .
que les galaxies s’éloignent les unes des autres avec une vitesse qui varie en raison de la
distance qui les sépare à un instant donné. Le calcul des déplacements Doppler-Fizeau
s’avère ici plus difficile qu’en acoustique et doit faire appel aux outils de la mécanique
relativiste. L’effet Doppler longitudinal est décrit par une relation unique, que la relativité restreinte donne ainsi :
1+ b
v
mR = mE #
1 – b avec b = c
où v désigne la vitesse d’éloignement de la galaxie par rapport à un observateur terrestre
fixe et c la célérité de l’onde lumineuse. Il suffit de substituer + b par – b et inversement
si l’observateur et la source se rapprochent relativement l’un de l’autre. Cette relation
respecte l’invariance de c, quel que soit le mouvement relatif de la source lumineuse.
On a encore :
1+ b
Dm
= 1– b –1 ;
mE
Dm
v
le rapport m est appelé z par les astrophysiciens. Bien entendu, si c % 1, on retrouve
E
Dm v
l’expression classique de l’effet Doppler : m . c .
E
Pour un élève de terminale, l’intérêt est d’analyser des spectres d’émission de
lumière issue de la galaxie étudiée, pour mettre en évidence le « redshift ». Le professeur trouvera de nombreuses banques de tels spectres sur des sites spécialisés, sachant
que les données spectrales sont en général présentées dans des fichiers spécifiques au
Figure 3 - Spectre de l’hydrogène de la galaxie M77.
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Pour la galaxie ici décrite (M77) (cf. figure 3, page ci-contre), on relève que la
raie Ha à 656 nm de l’hydrogène est perçue sur Terre à 661 nm.
2. RESSOURCES DE QUELQUES SITES INSTITUTIONNELS
Les programmes en cours en spécialité de terminale permettent d’utiliser les très
nombreuses activités qui avaient accompagné les précédents programmes élaborés en
2012-2013.
? En voici un exemple toujours d’actualité. Dans cette fiche, tous les fondements
relatifs à ce qu’un élève de terminale doit acquérir sont passés en revue, avec aussi
la description de quelques dispositifs expérimentaux et l’utilisation de logiciels courants comme Audacity® pour les acquisitions des pistes sonores.
Figure 4 - Effet Doppler référencé dans Edubase.
? Pour l’actuelle réforme, une proposition disponible. Cette fiche aborde la problématique de l’écholocation en liaison avec l’effet Doppler.
? Pour l’imagerie médicale et l’effet Doppler en section ST2S (Sciences et technologies de la santé et du social).
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format FITS (Flexible Image Transport System), exploitables par certains tableurs comme
Regressi par exemple pour nos élèves. À noter que dans la plupart de ces sites, les
spectres peuvent être directement affichés dans une visionneuse incorporée, ce qui
facilite leur lecture. Une de ces bases de données les plus connues est celle fournie par
HyperLeda.
? Il existe bien d’autres exemples que l’on trouvera aisément sur Édubase.
? Les canaux YouTube offrent également de très nombreuses présentations filmées
pour illustrer l’effet Doppler avec des qualités très inégales. Nous ne citerons pas
d’exemples ici, tant la vidéothèque sur cette thématique est mouvante !
3. VU DANS LE BUP : ONDES ET EFFET DOPPLER
Dans cette rubrique, nous citons quelques articles récents du Bup qui apportent
un éclairage utile sur l’historique, les fondements et les applications de l’effet Doppler
pour les ondes acoustiques ou électromagnétiques. Nous n’avons retenu que les articles
qui nous paraissent les plus accessibles à un public non spécialiste et, si possible, les
moins calculatoires. Chaque article sélectionné est référencé, avec un court résumé de
présentation.
? Pierre Jammaron, « Effet Doppler », Bull. Un. Phys., vol. 89, n° 776, p. 1319-1322,
juillet-août-septembre 1995.
L’effet Doppler apparaît dans les programmes de l’option Sciences expérimentales de première S. Les expériences décrites, qui utilisent les ultrasons, permettent une étude plus précise
de ce phénomène.
? Jean-Claude Pivot, « L’effet Doppler en option Sciences expérimentales », Bull. Un.
Phys., vol. 90, n° 780, p. 121-127, janvier 1996.
La séance commence par la présentation d’un enregistrement sonore, celui d’une voiture klaxonnant en permanence à l’arrêt – moteur coupé – puis à différentes allures… Il suffit de promettre
qu’à l’issue de la séance, on aura retrouvé la vitesse de la voiture à partir du document sonore,
pour que l’étude théorique soit moins douloureuse.
? Stéphan Lampert, « L’effet Doppler dans les nouveaux programmes de terminale S »,
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 107, n° 954, p. 615-633, mai 2013.
Dans cet article, on s’intéresse à l’effet Doppler acoustique mettant en œuvre des capteurs
piézoélectriques à ultrasons ainsi que des interfaces d’acquisition couramment utilisées dans
l’enseignement secondaire. La simplicité de la manipulation permet de la proposer en TP-élève
dans le cadre des nouveaux programmes de terminale S. Le changement de fréquence est ainsi
mis en évidence par un traitement de Fourier. Une confrontation aux résultats issus d’un enregistrement vidéo simultané ainsi qu’une discussion sur les incertitudes de la manipulation sont
ensuite menées afin de critiquer la méthode utilisée.
? Yves Baima, André Jorandon, Sylvie Morlen et Marc Vincent, « Changement de
fréquence, effet Doppler », Bull. Un. Phys., vol. 92, n° 804, p. 869-884, mai 1998.
La propagation des ondes est une part importante du programme de physique de CPGE
(Classe préparatoire aux grandes écoles). C’est dans ce cadre que s’inscrit l’étude de l’effet
Doppler sous forme de travaux pratiques. Dans une première partie, nous présentons de façon
sommaire l’effet Doppler, dans la configuration la plus simple où la source d’ondes est mobile
et le récepteur fixe dans le référentiel du laboratoire. À la suite de ceci, on trouvera une descrip6
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? Fouad Lahmidani et Nicolas Schlosser, « Mesure d’une vitesse instantanée par effet
Doppler », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 109, n° 973, p. 557-567, avril 2015.
Cet article décrit une expérience utilisant l’effet Doppler pour mesurer la vitesse instantanée
d’un chariot accéléré, roulant sur un plan. L’idée générale est de mesurer le décalage Doppler
de la fréquence de l’onde ultrasonore issue d’un émetteur lié au chariot mobile en réalisant des
battements avec l’onde issue d’un émetteur fixe. Deux autres méthodes de mesure de la vitesse
permettent de vérifier les résultats obtenus. Après une description détaillée du protocole et des
difficultés expérimentales rencontrées, nous présentons les résultats obtenus avant de conclure sur
la validité de cette méthode de mesure d’une vitesse instantanée.
? Guy Bouyrie, « L’arpenteur du web : ondes sonores, de l’écho au mur du son », Bull.
Un. Prof. Phys. Chim., vol. 110, n° 985, p. 859-902, juin 2016.
Nous illustrerons ici, au moyen des ressources disponibles sur Internet, les principaux phénomènes observés lors de la propagation du son, dans l’air « libre » ou dans un volume fini, qui
peuvent être évoqués dans la scolarité d’un lycéen scientifique : effet Doppler-Fizeau, « mur du
son », écho, réfraction d’une onde sonore, interférences, absorption d’une onde sonore… Nous
ne manquerons pas de faire appel à l’histoire des sciences pour montrer comment les modèles qui
rendent compte du « son » ont pu évoluer.
? Jean-Marie Greuet et Jean-Pierre Lemoine, « Vitesse de phase, dispersion, effet
Doppler, pour des ondes à la surface de l’eau », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 98
n° 864, p. 705-716 mai 2004.
Le but de cet article est d’essayer de montrer que l’étude de la propagation d’une onde à la
surface de l’eau par un enregistrement en continu (sans utiliser de webcam, assez mal adaptée
à l’étude de phénomènes périodiques de fréquence voisine de celle de la caméra), avec du matériel existant déjà dans les collections des lycées, peut être intéressante à exploiter. Après avoir
mesuré la célérité (vitesse de phase) d’une onde puis mis en évidence la dispersion, il est proposé
un montage permettant de mettre en évidence l’effet Doppler et d’effectuer quelques mesures.
Cet article est complété par des considérations théoriques sur les notions de vitesse
de phase et de vitesse de groupe en milieu dispersif par l’annexe :
– Luc Dettwiller, « Formule de l’effet Doppler en milieu dispersif », Bull. Un. Prof.
Phys. Chim., vol. 98 n° 864, p. 717-719, mai 2004.
? Guy Bouyrie, « Spectres stellaires et fichiers FITS », Bull. Un. Prof. Phys. Chim.,
vol. 107, n° 956, p. 715-731, juin-juillet-août-septembre 2013.
La mise sur le marché de nombreuses caméras à capteurs CCD ou CMOS a révolutionné la
spectroscopie stellaire. Ces techniques désormais éprouvées ont permis de constituer de vastes
bases de données qu’il est particulièrement intéressant de parcourir avec nos élèves de lycée,
notamment pour illustrer l’effet Doppler-Fizeau ou la loi de Wien. Pour que cette étude soit
menée en travaux dirigés, il faut un accès Internet et un logiciel capable de dépouiller les fichiers
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tion du dispositif expérimental mis au point au lycée. Il met en jeu l’utilisation d’un émetteur
et d’un récepteur d’ondes ultrasonores et de l’oscilloscope numérique utilisé pour visualiser les
signaux.
au format FIT qui permettent de stocker les données acquises. Cet article se propose de montrer
comment on peut procéder pour arriver à cette exploitation susceptible d’être menée avec des
élèves de terminale.
? René Mélin, « Principe du vélocimètre sanguin à effet Doppler : réflexion des ultrasons et effet Doppler », Bull. Un. Phys., vol. 88, n° 761, p. 325-332, février 1994.
L’auteur, après avoir rappelé la définition de l’effet Doppler et ses conséquences fréquentielles,
explique le principe du vélocimètre sanguin. Il propose ensuite un dispositif expérimental permettant de mesurer une vitesse à partir d’une variation de fréquence, et donc de vérifier la
relation fondamentale de l’effet Doppler.
? André Deiber, Olivier Kempf et le groupe GRESEP, « Mesure de très faibles vitesses
instantanées par échographie Doppler », Bull. Un. Phys., vol. 91, n° 798, p. 19251942, novembre 1997.
Une recherche bibliographique, la consultation de diverses bases de données (Internet entre
autres) ainsi qu’une enquête auprès du milieu médical nous ont permis de dégager les grandes
lignes de fonctionnement des sondes Doppler en ultrasonographie vasculaire utilisée dans un
domaine particulier de la médecine, l’imagerie vasculaire. Par la suite, ces principes ont été
transposés à la mesure de la vitesse d’objets se déplaçant lentement suivant un protocole aisé à
mettre en œuvre, ne requérant que du matériel peu onéreux.
? Laurence Poncet, « Vélocimétrie laser à effet Doppler », Bull. Un. Phys., vol. 90,
n° 782, p. 571-588, mars 1996.
Principe de la vélocimétrie laser à effet Doppler ; relation entre vitesse et fréquence du signal ;
exemples de manipulations : mouvement d’un solide, mesure de la vitesse de rotation, application à la mécanique des fluides.
? François Vandenbrouck, Muriel Dunlop et Alain Le Rille, « Détection interférométrique de mouvements », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 107, n° 951, p. 185-195,
février 2013.
Nous présentons dans cet article un protocole expérimental simple permettant l’étude précise de
mouvements (amplitude de déplacement et vitesse), fondé sur une méthode interférométrique.
Le dispositif est essentiellement constitué d’un interféromètre de Michelson, éclairé en ondes
centimétriques, dont un des deux miroirs est mobile. Nous présentons deux applications :
l’étude du mouvement d’un chariot mobile par vélocimétrie à effet Doppler et l’étude complète
de la réponse harmonique d’un haut-parleur électrodynamique.
? Gérard Llapasset, « Mesure de la vitesse d’un objet en chute “libre”», Bull. Un. Phys.,
vol. 93, n° 811, p. 309-314, février 1999.
Le montage décrit ci-après utilise l’effet Doppler ultrasonore, qui a déjà fait l’objet d’un excellent article dans Le Bup n° 798 de novembre 1997, suivi d’une conversion fréquence/tension qui permet d’accéder à la vitesse du mobile qui est « libre », c’est-à-dire seulement soumis
à la pesanteur et aux forces de frottement de l’air (pas de fil électrique, pas de ficelle, pas de
contact avec une solution électrolytique…).
? Julien Barthes et Pascal Langlois, « Une imprimante recyclée pour les ultrasons »,
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? Robert Fleckinger, « Les décalages en fréquence : une préparation unifiée », Bull. Un.
Prof. Phys. Chim., vol. 110, n° 983, p. 459-468, avril 2016.
Cet article présente, d’une façon unifiée centrée sur le phénomène de propagation, les divers
effets de décalage de la fréquence d’un signal dus aux conditions d’émission, de propagation et
de réception entre un émetteur et un récepteur. Un traitement identique dans lequel on exprime
indépendamment le chemin parcouru par un front d’onde entre son émission et sa réception et la
durée de cette propagation pour deux fronts d’onde successifs permet d’obtenir la relation entre
les fréquences émises et reçues. Sont traités successivement l’effet Doppler acoustique, l’effet
Doppler-Fizeau relativiste, le décalage gravitationnel et « le redshift cosmologique z ».
? Jean Sivardière, « Ressemblances et différences cruciales entre systèmes physiques »,
Bull. Un. Phys., vol. 96, n° 848, p. 1509-1519, novembre 2002.
Certains systèmes physiques présentent des « ressemblances » sans nécessairement être représentables par le même formalisme : la recherche de leurs différences est un exercice pédagogique
utile. Exemples : Polygone et polyèdres réguliers ; Pavages du plan et de la sphère ; Courbes et
surfaces ; Angle plan et angle solide ; Mouvement harmonique et mouvement képlérien ; Effet
Doppler et effet Doppler-Fizeau.
? Jean-Luc Leroy-Bury et Laurence Viennot, « Doppler et Römer : physique et mathématique à l’œuvre », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 97, n° 859 (1), p. 15951611, décembre 2003.
L’effet Doppler intervient dans un nombre considérable de domaines, et se présente comme un
sujet très riche pour des projets de recherche personnelle, TPE (Travaux personnels encadrés)
en première et terminale, TIPE (Travaux d’initiative personnelle encadrés) en classes préparatoires, ceci alors qu’il est peu enseigné même au niveau universitaire. Ce manque relatif dans
l’enseignement classique et la richesse potentielle du thème incitent à l’explorer dans des cadres
moins académiques, et au carrefour de plusieurs disciplines. Cet article appuie tout particulièrement l’idée d’un double éclairage, mathématique et physique. Il s’agit de donner un exemple
de thème de travail articulé entre ces deux disciplines, qui mène à des conclusions intéressantes,
notamment parce qu’il donne du sens entre autres aux notions de périodicité, de vitesse et de
célérité, de fonction linéaire, de changement de variable, de pente, de tangente, d’algébrisation
(des déplacements et vitesses). De plus, cet exemple associe de manière originale l’effet Doppler
et la découverte de Römer sur le caractère fini de la vitesse de la lumière.
? Jean Eisenstaedt, « De Newton à Einstein : l’optique oubliée des corps en mouvement », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 102, n° 909 (1), p. 1353-1368, décembre
2008.
Depuis Galilée, la relativité du mouvement est un élément central de la physique. Mais comAccueil > Publications > Autres publications > À thèmes : effet Doppler
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Effet Doppler
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 106, n° 943, p. 441-450, avril 2012.
Le chariot d’une imprimante à jet d’encre est récupérable pour effectuer une plateforme d’expériences avec des ondes ultras sonores. Avec un peu de bricolage, cette plateforme constituée à bas
coût permet une étude automatisée de l’effet Doppler. On peut également l’utiliser pour étudier
des interférences soit dans le but de mesurer la vitesse du son, soit pour illustrer une expérience
de type Fentes d’Young.
ment s’applique-t-elle à la lumière ? À la fin du xviiie siècle, la théorie newtonienne de la
propagation de la lumière, une extension naturelle des Principia, fut développée, mais vite
oubliée. Une série de travaux compléta les Principia non seulement avec la formulation d’une
optique relativiste des corps en mouvement, mais aussi grâce à la découverte – quelque soixante
ans avant Doppler – de l’analogue de l’effet Doppler-Fizeau, ainsi qu’à d’autres effets et idées
qui forment un préambule fascinant à la relativité d’Einstein.
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