Physique Labo Les propriétés des ondes sonores. Contexte : Problème : Variables : Matériel :

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1 Physique Labo Les propriétés des ondes sonores Contexte : Le son est une vibration de l air qui peut être entendue par les humains. C est grâce aux mécanismes internes de nos oreilles que nous pouvons détecter ces vibrations de l air. Les vibrations sonores ont de nombreuses propriétés intéressantes. Dans cet exercice, tu produiras des ondes sonores qui manifestent certaines propriétés et tu définiras ces propriétés. Problème : Quelles sont les propriétés des ondes sonores? Variables : Les variables de cette expérience sont la fréquence, la période, la longueur d onde et l amplitude. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un ordinateur muni d un microphone et de haut-parleurs une imprimante branchée à l ordinateur le logiciel DataStudio et le module Waveport divers objets pouvant émettre des sons, tels qu un diapason Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

2 Marche à suivre : Étape n o 1 : Démarre l application DataStudio et le module Waveport. Il y a deux fenêtres dans Waveport : l une comporte un microphone et montre une représentation visuelle des ondes sonores que tu génères (Analyseur de sons) ; l autre te permet de produire différents sons (Générateur de sons). Étape n o 2 : Familiarise-toi avec les deux écrans ; leurs fonctions sont plutôt intuitives. Ton travail consiste à mettre clairement en évidence les caractéristiques et les comportements suivants des ondes : Interférence constructive Interférence destructive Position d équilibre Nœud Ventre Longueur d onde Déphasage En phase Fréquence Fréquence de battement Diapason Intensité sonore Harmoniques supérieurs Amplitude Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

3 Par exemple, double-clique sur la fenêtre «Générateur de sons» pour produire divers sons et utiliser l outil de phase : L outil de phase du «Générateur de sons» peut ensuite être utilisé pour déphaser une onde sonore par rapport à une autre en la décalant : Analyse et interprétation : 1. Pour chaque caractéristique énumérée à l étape n o 3, génère un graphique qui la met correctement en évidence et imprime-le. Ajoute une définition de la caractéristique illustrée par chacun des graphiques. Il est possible de mettre en évidence plus d une caractéristique avec un seul graphique et d économiser ainsi du papier. Dans la partie 1, calcule la fréquence de vibration pour tous tes essais. Approfondissement : 2. Crée un son particulier avec le «Générateur de sons». En utilisant la vitesse du son à la température ambiante (cherche cette valeur si cela t est nécessaire), calcule la longueur d onde de ce son. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

4 Physique Labo La vitesse du son Contexte : Si un son d une fréquence donnée est émis dans un tuyau de longueur variable, une onde sonore stationnaire se forme pour certaines longueurs distinctes du tuyau. Pour ces longueurs, le son est considérablement plus fort à cause de la résonance dans le tuyau. Inversement, dans un tuyau de longueur donnée, il se forme des ondes sonores stationnaires pour certaines fréquences distinctes. La fréquence d un son est généralement bien supérieure à la plus petite fréquence de résonance d un grand tuyau, donc pour une fréquence sonore donnée, de nombreux nœuds et ventres d onde stationnaire apparaîtront le long du tuyau. Rappelle-toi que la distance entre deux ventres consécutifs est égale à une demi-longueur d onde. Dans ce laboratoire, tu utiliseras un générateur de fréquences et un tuyau de résonance pour déterminer la distance entre les ventres d une onde sonore stationnaire à l intérieur du tuyau. Cette information te servira à calculer la vitesse du son dans le tuyau. Problème : Quelle est la relation entre la longueur d onde et la fréquence? Quelle est la vitesse du son? Variables : Les variables de cette expérience sont la longueur du tuyau de résonance, la fréquence du son généré et la longueur d onde du son. Détermine les variables manipulée(s), répondante(s) et contrôlée(s). Matériel : un haut-parleur ouvert un générateur de fréquences des fils de raccordement un mètre rigide un tuyau de résonance un thermomètre Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

5 Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le générateur de fréquences au haut-parleur à l aide des fils et place-le à l ouverture du tuyau de résonance et dirige-le vers l intérieur du tuyau. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

6 Étape n o 2 : Mesure et note la température de la pièce ainsi que la longueur du tuyau de résonance. Les tuyaux de résonance sont souvent réglables ; choisis la longueur qui te convient et ne la change pas en cours d expérience. Allume le générateur de fréquences et règle-le sur la plus basse fréquence, puis augmente la fréquence graduellement jusqu à ce que tu entendes une augmentation du volume sonore. Dans un tableau approprié avec des colonnes pour la fréquence, la période et la longueur d onde, note cette fréquence comme étant la première harmonique. Harmonique Fréquence (Hz) 1/Fréquence (1/Hz) Longueur d onde (m) Étape n o 3 : Répète l étape n o 2 en continuant d augmenter la fréquence du générateur. Détermine les fréquences de la 2 e à la 5 e harmonique et note-les. Une fois que tu as mesuré toutes les fréquences, calcule les périodes respectives et inscris ces données dans ton tableau. Note aussi la longueur d onde des différentes harmoniques. Pour ce faire, utilise la longueur du tuyau que tu as mesurée à l étape n o 2. Étape n o 4 : Dans deux tableaux différents, note respectivement la fréquence et la longueur, puis la période et la longueur d onde, en utilisant la fonction entrée de données dans DataStudio. La fréquence doit être la variable (contrôlée) «X». Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

7 Lorsque tu as complété les deux tableaux, fais glisser les données de la fenêtre «Sommaire» dans un graphique vide. Crée un graphique pour chaque tableau. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

8 Analyse et interprétation : 1. Examine bien les graphiques que tu as créés. Quelle est la relation entre la longueur d onde et la fréquence? 2. Effectue une régression linéaire sur le graphique de la longueur d onde en fonction de la période. Quelle est la valeur de la pente et que représente-t-elle? 3. Détermine l ordonnée à l origine du graphique de la longueur d onde en fonction de la période. Que représente cette ordonnée à l origine? 4. La pente du graphique de la longueur d onde en fonction de la période varie selon la température. Utilise la température dans ta classe et l équation suivante pour calculer la vitesse théorique du son dans ta classe. V 5331 m/s 10,6T Compare cette valeur à ta valeur expérimentale et explique toute différence importante. Conclusion : 5. Réponds par écrit aux questions suivantes : Quelle est la relation entre la longueur d onde et la fréquence? Quelle est la vitesse du son? Approfondissement : 6. Un phénomène intéressant, appelé «effet de bord», est associé aux tuyaux ouverts et au son. L effet de bord fait en sorte qu à une extrémité ouverte, le tuyau semble être plus long d environ 0,6 fois son rayon. Utilise cette information sur l effet de bord pour ajuster tes valeurs de longueur d onde et refais ton analyse. Comment cela modifie-t-il les graphiques? 7. Modifie les caractéristiques du tuyau et recommence cette expérience. Essaie un tuyau dont l extrémité opposée au haut-parleur est fermée ou des tuyaux de longueurs différentes. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5

9 Physique Labo Des sons musicaux Contexte : Les instruments de musique ne sont pas la seule source de sons musicaux. De nombreux objets et appareils, y compris la voix humaine, peuvent générer des sons musicaux. Dans cet exercice, tu découvriras les différents sons que divers objets et la voix humaine peuvent créer. Problème : Quelles sont les fréquences et les longueurs d onde des sons créés par divers objets et la voix humaine? Matériel : des objets pouvant émettre des sons musicaux, tels que des instruments de musique, des diapasons, des carillons ou des sifflets à coulisse un ordinateur équipé d un microphone une imprimante branchée à un ordinateur le logiciel DataStudio avec le module Waveport une règle Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

10 Marche à suivre : Étape n o 1 : Démarre DataStudio sur ton ordinateur et démarre le module Waveport. Ce dernier présente deux fenêtres. Tu n utiliseras que celle qui comporte un microphone (Analyseur de sons). Pour ce laboratoire, Étape n o 2 : Choisis n importe quel objet pouvant produire des sons et commence à recueillir des mesures de fréquence. Clique sur le microphone et émets un son continu, puis clique à nouveau sur le microphone pour verrouiller l affichage du son. Utilise l échelle de temps à l écran pour déterminer la période du son : mesure la distance entre deux points similaires consécutifs de l onde (tels que les maximums dans la saisie d écran ci-dessus). Il est sans doute plus facile d imprimer la fenêtre et d utiliser une règle. Note la période dans un tableau approprié. Utilise-la pour déterminer la fréquence, puis note également cette valeur dans le tableau. Utilise la vitesse du son calculée d après la température de ta classe pour déterminer la longueur d onde et note aussi cette valeur dans le tableau. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

11 Répète cette étape avec tous les objets générateurs de sons ainsi que les voix de ton choix. Générateur de sons musicaux Période (s) Fréquence (Hz) Longueur d onde (m) Personne 1 fredonnant Personne 2 fredonnant Diapason 1 Diapason 2 Tuba Analyse et interprétation : 1. Décris la fréquence et la forme de l onde produite par chaque générateur de sons, objets et voix, et explique les différences observées. Approfondissement : 2. Des sons générées par des voix différentes mais de fréquences similaires semblentils identiques à l oreille? Explique ta réponse et justifie-la à l aide de l Analyseur de sons de DataStudio. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

12 Physique 30 Labo L impulsion d un moteur-fusée Contexte : La construction de fusées miniatures donne une bonne idée de la façon dont on envoie des objets dans l espace. Par exemple, les propulseurs d appoint à poudre de la navette spatiale de la NASA ne sont pas tellement différents des moteurs utilisés pour propulser les modèles réduits de fusées. Dans chaque cas, un tube est rempli d une poudre propulsive que l on enflamme à l extrémité ouverte. La combustion intense de cette poudre dans le tube produit une force qui peut être utilisée pour faire accélérer l objet. Les moteurs-fusées (ou moteurs) des modèles réduits de fusée sont des pièces compactes conçues pour être insérées dans le corps de la fusée miniature. Il existe des fusées de différentes tailles et contenant plus ou moins de combustible, selon l intensité de la force ou le temps de combustion désirés. Dans ce laboratoire, tu devras mesurer la force produite par différents moteurs-fusées et la comparer aux indications des fabricants. Afin de comparer correctement les moteurs, tu calculeras l impulsion. Pour calculer l impulsion, il suffit de multiplier la force produite (en newtons) par la durée de la combustion (en secondes). Les moteurs-fusées offerts sur le marché portent un code indiquant leur impulsion, de «1/4A» jusqu à «H». La signification de ce code élaboré par les fabricants est la suivante : Impulsion (newtons secondes) Inscription sur le moteur-fusée 0,00 1,25 1/4A 1/2A 1,26 2,50 A 2,51 5,00 B 5,01 10,00 C 10,01 20,00 D 20,01 40,00 E 40,01 80,00 F 80,01 160,00 G H Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

13 Le seul problème est que la force produite par le moteur-fusée ne sera peut-être pas constante. Regarde le graphique qui suit. Alors qu il peut être difficile de mesurer l impulsion manuellement, une analyse par ordinateur est beaucoup plus simple. Comme tu peux le constater dans le graphique DataStudio ci-dessus, la courbe indique clairement la force du moteur-fusée. Si tu choisis «Aire» dans le menu Statistiques, l ordinateur calculera automatiquement l aire située sous la courbe. Cette aire représente la force multipliée par la durée, c est-à-dire l impulsion. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

14 Mise en garde de sécurité : Les moteurs-fusées sont inflammables et dangereux et ne doivent être allumés que par une personne expérimentée. Quiconque allume un moteur-fusée ou observe la mise à feu devrait porter des lunettes de protection. Avant d allumer un moteur-fusée, il faut faire attention à bien l orienter pour qu il n y ait aucun bâtiment, aucune personne ni aucun matériau inflammable dans la zone d éjection des gaz de combustion. Il faut laisser le moteur se refroidir complètement avant de le toucher pour le déplacer. Problème : Quelle est l impulsion produite par différents moteurs pour modèles réduits de fusées? Matériel : des moteurs pour modèles réduits de fusée grandeurs recommandées : A, B, C, D un support de laboratoire un dynamomètre un banc d essais pour moteurs-fusées un allumeur pour fusée et un capuchon une commande d allumage à distance un dispositif d acquisition de données Xplorer ou GLX, ou un ordinateur portable avec câble USB un ordinateur le logiciel DataStudio Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

15 Marche à suivre : Étape n o 1 : Prends un dynamomètre et branche-le au dispositif de ton choix pour recueillir des données à l extérieur (un dispositif portatif Xplorer ou GLX ou un ordinateur portable avec un port USB). Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

16 Visse le banc d essais pour moteurs-fusées dans l extrémité du dynamomètre (ne serre pas trop, car cela pourrait endommager le capteur). Raccorde le dynamomètre à l enregistreur de données Xplorer. Étape n o 2 : Glisse la tige du support de laboratoire dans le trou de fixation du dynamomètre. Apporte tout le matériel dehors et pose un objet assez lourd sur la base du support de laboratoire (comme une poubelle ou un étau) pour l empêcher de bouger lorsque le moteur sera allumé. Étape n o 3 : Insère l allumeur et le capuchon dans le moteur-fusée. Raccorde l allumeur à la commande d allumage à distance. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5

17 Accède à la fréquence d échantillonnage des données du dynamomètre et augmente-la à 50 Hz. Appuie sur le bouton d étalonnage du dynamomètre. Étape n o 4 : Commence à recueillir des données. Si tu utilises l enregistreur de données Xplorer, appuie sur le gros bouton vert. Appuie maintenant sur le bouton de lancement de la commande d allumage à distance. Une fois que la combustion est complètement terminée, appuie à nouveau sur le gros bouton vert du Xplorer pour arrêter la collecte de données. Étape n o 5 : Répète les étapes n os 3 et 4 avec les autres moteurs-fusées que tu souhaites évaluer. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 6

18 Étape n o 6 : Rapporte ton matériel au laboratoire, puis ouvre l application DataStudio sur ton ordinateur. Débranche le dispositif Xplorer du dynamomètre et connecte-le à l ordinateur à l aide du câble USB fourni. L ordinateur demandera si tu veux récupérer les données enregistrées. Les données recueillies lors de différents essais devraient ressembler à ceci : Utilise le bouton «Données» au haut du graphique pour sélectionner les données du premier essai. Puis, comme cela est décrit dans la section Contexte de ce laboratoire, utilise le menu «Statistiques» pour sélectionner l aire sous la courbe. À l aide de la souris, trace un carré sur l aire que tu veux calculer et note la valeur de l impulsion du moteur. Répète le processus pour chaque moteur-fusée. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 7

19 Analyse et interprétation : 1. Examine les maximums sur le graphique. Lequel des moteurs-fusées a produit la plus grande force? Est-ce que la force est la même chose que l impulsion? Explique ta réponse. 2. Quel moteur-fusée a fonctionné le plus longtemps? Quelle relation y a-t-il entre la durée de fonctionnement et l impulsion du moteur-fusée? Conclusion : 3. En te basant sur les données que tu as recueillies, écris une conclusion à propos des différents moteurs-fusées testés et de l impulsion qu ils produisent. Application et extrapolation : 4. Un moteur-fusée produit une force de 15 N mais pendant seulement une seconde. Produit-il une impulsion inférieure ou supérieure à celle d un autre moteur qui fonctionne pendant 10 secondes et qui produit une force de 1 N? Explique ta réponse. 5. Compare les impulsions mesurées aux valeurs standard (qui apparaissent dans le tableau de la section Contexte de ce laboratoire). Tes moteurs-fusées ont-ils produit des impulsions comparables aux valeurs standard? Si tu constates des différences importantes, explique-les. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 8

20 Physique 30 Labo La diffraction Contexte : Quand une source de lumière éclaire des fentes rapprochées, des interférences lumineuses se produisent en raison de la diffraction de la lumière par les fentes. La diffraction fait en sorte que les ondes qui traversent deux fentes rapprochées se dispersent de l autre côté de ces fentes. À mesure que ces ondes se rencontrent, il se forme une figure d interférence. Il s agit d une figure d interférence équivalente à celle que l on observe dans une cuve à ondes lorsqu il y a deux sources ponctuelles d ondes. Dans cette expérience des deux fentes, une cellule photoélectrique détectera les franges d interférence constructives claires (maximums). En déplaçant la cellule photoélectrique avec soin, d un bout à l autre de la figure d interférence, il est possible de cartographier et d analyser la figure d interférence. Problème : Qu est-ce que la diffraction et quelle figure d interférence obtient-on lorsqu une onde lumineuse passe à travers deux fentes? Variables : Les variables de cette expérience sont la distance par rapport à l écran, la distance entre les fentes, la longueur d onde de la lumière et la distance entre les franges claires. Détermine les variables manipulée(s), répondante(s) et contrôlée(s). Matériel : une cellule photoélectrique un capteur de rotation des câbles USB un système optique de base un disque à ouvertures et son support une diode laser une table de translation linéaire un disque à fentes et son support Remarque : La liste qui précède fait référence au matériel Pasco les numéros de modèle sont les suivants : PS 2106, PS 2120, PS 2100, 0S 8515B, 0S 8534, 0S 8528A, 0S 8535, 0S Au besoin, il est possible de remplacer ces articles par du matériel approprié. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

21 Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche la cellule photoélectrique et le capteur de rotation aux câbles USB. Étape n o 2 : Ouvre le fichier «P35Diffraction.DS» dans DataStudio. Ce fichier fait partie de la bibliothèque des expériences DataStudio. Si la bibliothèque des expériences n est pas installée sur ton ordinateur, tu peux la télécharger. Étape n o 3 : Suis les étapes suivantes pour réaliser le montage expérimental : Installe la diode laser au bout du banc d optique. Installe le disque à fentes sur son support et place-le devant la diode laser, sur le banc d optique. Monte la table de translation linéaire et le capteur de rotation. Monte la table de translation linéaire et le capteur de rotation à l autre bout du banc d optique. Monte le disque à ouvertures sur la cellule photoélectrique en vissant son support dans le trou taraudé situé en bas de la cellule photoélectrique. Insère le support du disque dans la pince située au bout du capteur de rotation. Fixe le support et la cellule photoélectrique avec la vis de serrage de la pince. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

22 Allume la diode laser (l interrupteur est à l arrière). Aligne-la sur les fentes, de manière à ce que le faisceau les éclaire et forme une figure d interférence nette sur l écran blanc du disque à ouvertures. Le montage final devrait ressembler à l image présentée ci dessous (une gracieuseté de Pasco Canada) : Étape n o 4 : Suis les étapes suivantes pour recueillir des données : Clique sur «Démarrer» dans DataStudio pour commencer la collecte de données. Déplace lentement et délicatement le capteur de rotation (et la cellule photoélectrique qui y est attachée) de manière à ce que l ouverture rectangulaire verticale devant la cellule parcourt toute la figure d interférence. Lorsque la figure de d interférence aura été entièrement mesurée, clique sur «Arrêter» pour terminer la collecte de données. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

23 Étape n o 5 : Ajuste les échelles de ton graphique pour qu il apparaisse entièrement dans la fenêtre. Voici un aperçu de ce à quoi ton graphique devrait ressembler : Analyse et interprétation : 1. Décris la figure d interférence que tu as obtenue. Pourquoi certains maximums de la courbe sont-ils supérieurs à d autres? Conclusion : 2. Réponds par écrit à la question suivante : Qu est-ce que la diffraction et quelle figure d interférence obtient-on lorsqu une onde lumineuse passe à travers deux fentes? Approfondissement : 3. Modifie la distance entre les fentes et refais l expérience. Note l effet produit sur la figure d interférence obtenue. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4