Calculs détaillés des formules

Formule de la variation de la fréquence pour une source en mouvement

λ' = λ ± vT
λ' = cT ± vT car λ = cT
c / f ' = cT ± vT car λ = c / f
c / f ' = T ( c ± v )
c / f ' = ( c ± v ) / fcar T = 1 / f
f ' ( c ± v ) = f c
f ' = f c / ( c ± v )
f ' = f / ( 1 ± v / c )

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Formule de la variation de la fréquence pour un récepteur en mouvement

λ' = λ ± vT'
c / f ' = c / f ± v / f ' car λ = c / f et T = 1 / f
( c ± v ) / f ' = c / f
f ( c ± v ) = f ' c
f ' = f ( c ± v ) / c
f ' = f ( 1 ± v / c )

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Formule relativiste de l'effet Doppler

Partons de la formule pour une source en mouvement. La source (galaxie) s'éloigne du récepteur (nous), d'où l'emploi du signe + :

f ' = f / ( 1 + v / c )
T' = T ( 1 + v / c )car f = 1 / T
T' = T ( 1 + v / c ) / ( 1 - ( v / c ) 2 ) ½ en introduisant le facteur ( 1 - ( v / c ) 2 ) ½
λ' / c = λ ( 1 + v / c ) / c ( 1 - ( v / c ) 2 ) ½ car T = λ / c
λ' = λ ( 1 + v / c ) / ( 1 - ( v / c ) 2 ) ½
λ' = λ ( 1 + v / c ) / ( ( 1 + v / c ) ( 1 - v / c ) ) ½
λ' = λ ( 1 + v / c ) / ( 1 + v / c ) ½ ( 1 - v / c ) ½
λ' = λ ( 1 + v / c ) ( 1 + v / c ) ½ /
           ( 1 + v / c ) ½( 1 - v / c ) ½ ( 1 + v / c ) ½
λ' = λ ( 1 + v / c ) ( 1 + v / c ) ½ /
           ( 1 + v / c ) ( 1 - v / c ) ½
λ' = λ ( 1 + v / c ) ½ / ( 1 - v / c ) ½
λ' = λ ( ( 1 + v / c ) / ( 1 - v / c ) ) ½

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Formule de la vitesse d'un obstacle en mouvement

Soit fobs la fréquence de l'onde reçue par l'obstacle. D'après la formule de l'effet Doppler pour un recepteur en mouvement, on a :

fobs = f ( 1 ± v / c )

L'obstacle réfléchi donc les ondes à la fréquence fobs. Cependant, l'obstacle étant lui-même en mouvement, on doit en plus appliquer à fobs la formule pour une source en mouvement, ce qui donne :

f ' = fobs / ( 1 ± (-v) / c )

D'où finalement :

f ' = f ( 1 ± v / c ) / ( 1 ± (-v) / c )

Ceci est une formule exacte, valable dans tous les cas. Mais la plupart du temps, la vitesse v de l'obstacle est très petite devant la vitesse c de propagation des ondes : on peut alors obtenir une bonne approximation de cette formule en la linéarisant par un déloppement limité à l'ordre 1 en v / c. On obtient finalement :

f ' = f ( 1 ± 2 v / c )

On en déduit alors la vitesse de l'obstacle v :

f ' = f ( 1 ± 2 v / c )
f ' = f ± 2 vf / c
f ' - f = ± 2 vf / c
v = ± c ( f ' - f ) / ( 2 f )
v = ± c ( f ' / f - 1 ) / 2

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