L'effet Doppler, ou effet Doppler-Fizeau, est le décalage de fréquence d’une onde (mécanique, acoustique, électromagnétique ou d'une autre nature) observée entre les mesures à l'émission et à la réception, lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. On désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d'effet Doppler.
L'effet Doppler est un effet cinématique dont l'éponyme est le mathématicien et physicien autrichien Christian Doppler (1803-1853) qui l'a prédit en 1842, tant pour les ondes sonores que pour la lumière, sur la base de la propagation dans l'éther. Doppler donne l'exemple des étoiles doubles, où l'effet pourrait être observé du fait du mouvement de chaque étoile autour du centre de masse. Dès 1845, le météorologue néerlandais Christoph Buys Ballot (1817-1890) vérifie expérimentalement l'effet pour les ondes sonores. L'effet est également prédit en 1848, et de manière indépendante, par Hippolyte Fizeau (1819-1896). L'effet est observé pour la première fois en 1868, sur des étoiles, par William Huggins (1824-1910). Il est observé pour la première fois, en laboratoire, en 1895[réf?]. En 1905, Albert Einstein (1879-1955) prédit l'effet Doppler relativiste. En 1907, Einstein suggère de le rechercher dans les raies atomiques. En 1938, Herbert E. Ives (1882-1953) réalise, avec George R. Stilwell, l'expérience mettant en évidence, pour la première fois, tant l'effet Doppler transverse que la dilatation du temps.
L'effet Doppler se manifeste par exemple pour les ondes sonores dans la perception de la hauteur du son d’un moteur de voiture, ou de la sirène d’un véhicule d’urgence. Le son est différent selon que l’on se trouve à l'intérieur du véhicule (l’émetteur étant immobile par rapport au récepteur), ou que le véhicule se rapproche du récepteur (le son étant alors plus aigu) ou s’en éloigne (le son étant plus grave). Il faut cependant remarquer que la variation de la hauteur du son dans cet exemple est due à la position de l'observateur par rapport à la trajectoire du mobile. En effet, la vitesse du mobile perçue par l'observateur
formé par sa ligne de visée vers le mobile et la trajectoire de celui-ci. On a :
{\displaystyle v_{r}=v_{s}\cdot \cos {\theta }}
. Il n'y a pas de modulation si l'observateur est exactement sur la trajectoire et va à la même vitesse et dans le même sens que l'émetteur.
Cet effet est utilisé pour mesurer une vitesse, par exemple celle d’une voiture, ou bien celle du sang lorsqu’on réalise des examens médicaux, notamment les échographies en obstétrique ou en cardiologie. Il revêt une grande importance en astronomie car il permet de déterminer directement la vitesse d’approche ou d’éloignement des objets célestes (étoiles, galaxies, nuages de gaz, etc.). Toutefois, le décalage vers le rouge cosmologique, qui traduit la fuite apparente des galaxies et constitue une preuve de l’expansion de l’espace, est d’une autre nature : il n’est pas justifiable par un effet Doppler car il est dû (de façon imagée) à un étirement de l’espace produisant lui-même un étirement des longueurs d’onde (la longueur d’onde d’un rayonnement suivant fidèlement la taille de l’Univers).
Imaginons le cas d'une personne sur une plage, debout dans l’eau, au bord du rivage. Des vagues arrivent à ses pieds toutes les dix secondes. La personne marche en direction du large : elle va à la rencontre des vagues, celles-ci l’atteignent alors avec une fréquence plus élevée, par exemple toutes les huit secondes. Lorsque cette personne se met à courir vers le large, les vagues l'atteignent alors toutes les cinq secondes. Lorsque cette personne fait demi-tour, et marche puis court en direction de la plage, les vagues l’atteignent avec une fréquence moins élevée, par exemple toutes les douze, puis quinze secondes.
La fréquence des vagues ne dépend pas du mouvement de la personne par rapport à l’eau (elle est notamment indépendante de la présence ou non d’un courant), mais du mouvement de la personne par rapport à l’émetteur des vagues (en l’occurrence un lieu au large où le courant s’oppose au vent).
De manière inverse, on peut imaginer une source mobile de vagues, par exemple un aéroglisseur dont le jet d’air générerait des vagues à une fréquence régulière. Si l’aéroglisseur se déplace dans une direction, alors les vagues sont plus resserrées vers l’avant du mouvement et plus espacées vers l’arrière du mouvement ; sur un lac fermé, les vagues frapperont la berge à des fréquences différentes.
Supposons que l’émetteur et le récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à considérer :
Le référentiel du milieu dans lequel se propage l’onde (par exemple l’atmosphère pour une onde sonore). On note
la célérité de l’onde dans ce référentiel (ce n’est pas forcément la vitesse de la lumière).
Le référentiel lié à l’émetteur (source) : appelons
la vitesse algébrique de l’émetteur (source) par rapport au référentiel (1).
Le référentiel lié au récepteur : appelons
la vitesse du récepteur par rapport au référentiel (1).
Par convention, les vitesses seront comptées comme positives suivant la direction et dans le sens de propagation du signal (de l’émetteur vers le récepteur). Ainsi une vitesse