Observer TP Ondes CELERITE DES ONDES SONORES

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1 OBJECTIFS CELERITE DES ONDES SONORES Mesurer la célérité des ondes sonores dans l'air, à température ambiante. Utilisation d un oscilloscope en mode numérique Exploitation de l acquisition par régressif. I ) CALCUL DE LA VALEUR DE LA CELERITE DU SON Mesurer la température de l air ( en C) : =. La célérité du son dans l'air est donnée par la relation: v th =.R.T M avec constante sans dimension, = 1,4 R = 8,314 USI T température absolue en K M : masse molaire en kg.mol -1 M = 28, kg.mol -1 et T = Calculer v th pour la température du jour de l'expérience II ) MESURE DE LA CELERITE DES ONDES SONORES II.a ) mesure unique Quel est le type d'onde concerné dans cette expérience?longitudinale ou transversale réaliser l expérience : Enregistrer un «clap» et visualiser les deux signaux reçus par les micros pou d = M 1 M 2 = 0,400m En utilisant les fonctionnalités du logiciel, mesure précisément le délai τ entre les réceptions du son II.a.1) Ecrire tous les chiffres de et discuter de leur pertinence. L incertitude absolue Δτ associée à cette mesure est Δτ= 0,01 ms, et calculer l incertitude relative : (lire annexe : incertitude) II.a.2) Évaluer l'incertitude Δd associée à la mesure de d,. Calculer l'incertitude relative. II.a.3) L incertitude relative sur v s'écrit alors : = +. La calculer et proposer une stratégie d'amélioration du protocole de mesure. II.b ) série de mesure Effectuer les mesures suivantes d en m 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 Τ en ms Tracer la courbe représentant les variations de d en fonction de t (Utiliser REGRESSI) Modéliser les mesures par une droite et déterminer son équation II.b.1) Justifier que le coefficient directeur de la droite peut être interprété comme la célérité du son dans l'air. II.b.2) Évaluer l'incertitude associée. Présenter enfin le résultat de la série de mesures et le comparer à celui de la mesure unique. 1

2 Protocoles II ) Mesure de la célérité des ondes sonores Voir l animation : ondes sonores II. a ) Dispositif et principe des mesures Deux microphones avec amplificateurs intégrés M 1 et M 2, situés à la distance d = M 1 M 2 l'un de l'autre, sont respectivement reliés aux voies 1 et 2 d'un oscilloscope à mémoire. L oscilloscope est aussi relié à un ordinateur. À l'aide d'un claquoir, on produit un bref train d'onde sonore en un point aligné avec les deux microphones. On vérifie que les deux signaux relevés par l oscilloscope ont bien la même signature ; on transmet l acquisition à l ordinateur et on mesure le retard t de l'onde reçue par le microphone M 2 par rapport à l'onde reçue par le microphone M 1. II. b ) Utilisation de l oscilloscope Avant la mise sous tension ( animation oscilloscope ; doc ) Mise sous tension et premiers réglages Réglages de l'oscilloscope :(utiliser les fiches) un seul balayage de l'écran, pour les deux voies simultanément ; un déclenchement par la réception d'un signal sur la voie 1 (déjà fait) Positionner les traces : voie 1 : La positionner une division au dessus de la ligne centrale voie 2 : La positionner une division au dessous de la ligne centrale Sensibilités verticales : voie1 : 100 mv/div, voie 2 : 50 mv/div, mode «~» pour les deux voies sensibilité horizontale 500 µs/div Préparer une acquisition monocoup I.c ) Mesure de la célérité des ondes sonores Choisir une distance d et mettre les micros en place ( voir tableau). Faire une acquisition Exporter l acquisition vers Regressi Recommencer pour différentes valeurs de d. Exploitation des résultats 2

3 LES ULTRASONS I. OBJECTIFS Déterminer la période, la fréquence, la longueur d onde d une onde progressive sinusoïdale Mesures de la célérité des ondes ultra sonores présentation du matériel : II. MESURE DE LA PERIODE D UNE ONDE SINUSOÏDALE Réaliser le montage permettant de visualiser simultanément, avec un oscilloscope, le signal périodique émis en continu par l'émetteur et le signal reçu par le récepteur II.1) L amplitude du signal reçu dépend-il de la position du récepteur? II.2) L'onde ultrasonore est dite progressive et périodique. Expliciter brièvement ces deux termes. II.2.a.) Déterminer la période des signaux émis et reçus sur l'écran de l'oscilloscope. Les comparer. II.2.b.) Déterminer l'incertitude ΔT sur la mesure de la période (lire annexe incertitude) ΔT = En déduire la fréquence des ondes ultrasonores et un encadrement de cette fréquence, sachant que l'incertitude sur la fréquence est donnée par : Δf = f. II. 3) En déduire la fréquence f des ondes émises et vérifier qu'elle fait bien partie du domaine des ondes ultrasonores. Vue de dessus de l émetteur III. MESURE DE LA LONGUEUR D ONDE λ d une onde ultrasonore Placer les deux récepteurs R1 et R2 sur la même graduation de la règle et vérifier que les ondes US sont reçues en phase (concordance des maxima et des minima des deux signaux) Déplacer lentement R2 par rapport à R1: III.1 ) qu'observez-vous? (On note le décalage temporel entre la réception des deux signaux). Régler de nouveau R1 et R2 pour que les ondes US reçues soient en phase. Déplacer lentement R2 jusqu'à ce que les ondes US reçues soient de nouveau en phase. III.2) Que vaut le décalage temporel dans ce cas?. III.3) La longueur d onde est la distance séparant deux points consécutifs pour lesquels les ondes sont en phases : déterminer la longueur de l onde sonore dans l air à la température de la salle. 3

4 IV) MESURE DE LA CELERITE DES ULTRASONS DANS L'AIR PAR LA MESURE D'UN RETARD, EN MODE «SALVE» IV.1. Montage et réglages Réaliser le montage selon le schéma Trigg. ext 0V, +15V Alimenter l émetteur d ultrasons en mode «salves» Relier les deux récepteurs A et B aux deux entrées d un oscilloscope bicourbe. Les positionner côte à côte face à l émetteur sur le banc d optique. Régler l oscilloscope afin d obtenir à l écran le signal de réception des salves par les deux récepteurs. Décaler verticalement les deux courbes afin de pouvoir les distinguer : les deux courbes ne doivent pas se superposer. IV.2. Mesure du retard pour une distance d entre les récepteurs A et B Éloigner le récepteur B, dans la direction émetteur-récepteur, d une distance d suffisamment grande pour pouvoir mesurer avec précision le retard ultrasonore du récepteur B par rapport au récepteur A. Distance d en m lu sur l oscillogramme lu sur Regressi IV.3. la célérité des ultrasons dans l air En utilisant les résultats ci-dessus, déterminer la célérité des ondes ultrasonores dans l air 4

5 ANNEXE : Incertitudes Lors de la plupart des mesures physiques, on ne possède pas de valeur de référence, comme celle dont nous venons de parler. Lorsqu on mesure la distance de deux points, ou l intervalle de temps qui sépare deux événements, ou la masse d un objet, on ne sait pas quelle est la valeur exacte de la grandeur mesurée. On ne dispose que de la valeur expérimentale. Néanmoins, par une critique objective des moyens utilisés pour faire la mesure, on peut se faire une idée de l «erreur» maximale qu on peut avoir commise, «erreur» que l on appelle de façon plus appropriée incertitude. 1. L incertitude absolue L indication complète du résultat d une mesure physique comporte la valeur qu on estime la plus probable et l intervalle à l intérieur duquel on est a peu près certain que se situe la vraie valeur. La valeur la plus probable est en général le centre de cet intervalle. La demi-longueur de celui-ci est appelée incertitude absolue de la mesure. Ainsi, si l on désigne par x la valeur la plus probable de la grandeur mesurée G, par x 0 la vraie valeur (qui nous est inconnue) et par Δx l incertitude absolue, on a : x Δx x 0 x + Δx Sous une forme condensée, le résultat de la mesure s'écrit : G = x ± Δx Lorsqu'on mesure une grandeur (longueur, temps, masse,...) l'incertitude absolue liée à la mesure est indiquée sur l'instrument de mesure. Si ce n'est pas le cas, on peut considérer qu'elle correspond à la moitié de la plus petite graduation de l'instrument de mesure utilisé En terminale S, les relations à utiliser pour évaluer une incertitude seront données 2. L'incertitude relative L'incertitude absolue, lorsqu'elle est considérée seule, n'indique rien sur la qualité de la mesure. Pour juger de cette qualité, il faut comparer l'incertitude absolue à la grandeur mesurée. Le rapport de ces grandeurs est appelé incertitude relative. Incertitude relative : Comme pour l'erreur relative, l'incertitude relative est un nombre pur (sans unité), pratiquement toujours beaucoup plus petit que 1, que l'on exprime généralement en %. 5

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