Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l exercice.

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1 EXERCICE 1 La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs! Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l exercice. Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s La houle, onde mécanique progressive 1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l onde sinusoïdale générée par le vibreur Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s est formée avec une longueur d onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v 1 de cette houle. En déduire sa période T Arrivée de la houle dans une baie Sur la photographie aérienne du document 3, quel phénomène peut-on observer? Quelle est la condition nécessaire à son apparition? Citer un autre type d onde pour laquelle on peut observer le même phénomène. 2. Surfer sur la vague La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues Calculer la nouvelle vitesse de propagation v 2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d onde λ 2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 4? 2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est : - à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de pleine mer ; - avec une direction du vent venant du Sud-Ouest. Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle et les horaires des marées (document 5). Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi et le samedi juin 2012.

2 2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret. Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse v de l ordre de 5,1 m.s -1. Le passage du mascaret étant observé sur la commune d Arcins à 17h58, à quelle heure arrivera-t-il à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve? DOCUMENTS DE L EXERCICE 1 Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes. Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l eau. - cas des ondes dites «courtes» (en eau profonde) : longueur d onde λ faible devant la profondeur h de l océan (λ < 0,5 h) g. v 2 - cas des ondes dites «longues» (eau peu profonde) : longueur d onde λ très grande devant la profondeur de l océan (λ > 10h) v gh. g est l intensité du champ de pesanteur terrestre. D après Document 3 : Photographie aérienne de l arrivée de la houle dans une baie.

3 Document 4 : Déferlement des vagues sur la côte En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d onde, les particules d eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l onde s accompagnent d une augmentation d amplitude. La période est la seule propriété de l onde qui ne change pas à l approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l onde, et lorsque la crête n est plus en équilibre, la vague déferle. D après Document 5 : Prévisions maritimes. GFS UTC 05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h Tableau des marées Juin 2012 Jour Pleine mer Basse mer (h :min) (h :min) udi juin 06 :54 19 :08 00 :58 13 :10 ndredi juin 07 :31 19 :44 01 :34 13 :46 medi juin 08 :08 20 : 02 :10 14 :24 Dimanche 24 juin 08 :47 :02 02 :49 15 :04 D après

4 EXERCICE 2 «ns les mains! C'est de cette manière que vous pourrez, peut-être très bientôt, conduire votre prochaine voiture...». Cette phrase évoque ici la voiture autonome dont la commercialisation sera lancée aux alentours de Cette voiture «se conduira seule», car elle aura une perception globale de son environnement grâce à la contribution de plusieurs capteurs : télémètre laser à balayage (LIDAR * ), caméra, capteurs à infrarouge, radars, capteurs laser, capteurs à ultrasons, antenne GPS... * LlDAR = Light Detection And Ranging Un odomètre mesure la distance parcourue par la voiture. L'objectif de cet exercice est d'étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome. Principe de fonctionnement des capteurs Les radars, capteurs ultrasonores et lasers sont tous constitués d'un émetteur qui génère une onde pouvant se réfléchir sur un obstacle et d'un capteur qui détecte l'onde réfléchie. Le capteur permet de mesurer la durée entre l'émission et la réception de l'onde après réflexion sur l'obstacle. Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons tandis que le laser d'un LIDAR émet des impulsions allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. Extrait d'une notice de «radar de recul» (aide au stationnement) - En marche arrière le «radar de recul» se met en fonction automatiquement. - L'afficheur indique la distance de l'obstacle détecté pour des valeurs comprises entre 0,3 m et 2 m. - L'afficheur dispose d'un buzzer intégré qui émet un signal sonore dont la fréquence évolue en fonction de la distance à l'obstacle.

5 Extrait d'un document d'un constructeur automobile : système autonome de régulation de vitesse ACC. Le système ACC traite les informations d'un capteur radar afin d'adapter la vitesse de la voiture en fonction des véhicules qui la précèdent. Les caractéristiques du capteur radar d'un système ACC sont données cidessous. Fonctionnalité Détermine la distance, la vitesse et la direction d'objets mobiles roulant devant le véhicule Fréquence d'émission GHz Portée minimale - portée maximale 1 m 120 m Activation du capteur vitesse > 20 km.h 1 Données : - célérité du son dans l'air à 20 C : v = 343 m.s 1 ; - célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air : c = 3, m.s Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome 1.1. Compléter le tableau de l'annexe à rendre avec la copie en précisant pour chaque capteur le type d'ondes utilisées À l'aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d'ondes radio utilisées par le capteur radar de l'acc. Justifier votre réponse à l'aide d'un calcul. Nom de bande d'ondes radio HF L W Longueurs d'onde dans le vide 10 m 100 m 15 cm 30 cm 2,7 mm - 4,0 mm 1.3. La vitesse relative (différence de vitesse) entre la voiture équipée du système ACC et un objet peut être calculée par le biais de l'effet Doppler. Recopier en les complétant les deux phrases suivantes : Si l'objet se rapproche de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie.. Si l'objet s'éloigne de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie..

6 2. Plage de détection d'un obstacle pour le «radar de recul» Ce «radar de recul» est composé de quatre capteurs ultrasonores identiques. Chacun de ces capteurs a une portée minimale d min = 0,30 m d'après la notice. Cela signifie qu'un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à d min ne sera pas détecté. Le capteur est constitué d'un matériau piézo-électrique utilisé à la fois pour fonctionner en mode émetteur ou en mode récepteur. Il ne peut fonctionner correctement en récepteur que lorsqu'il a fini de fonctionner en émetteur. Pour cette raison, le capteur génère des salves ultrasonores de durée t 1 = 1,7 ms avec une périodicité t 2 = 12 ms. La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement Légender la figure de l'annexe à rendre avec la copie en indiquant les durées t 1 et t Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée minimale d min et sa portée maximale d max en précisant leurs valeurs Vérifier que pour la distance d min entre le capteur et l'obstacle, la durée entre l'émission et la réception est égale à t Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à t 1, pourquoi le capteur ne peut-il pas détecter l'obstacle de manière satisfaisante? Justifier la réponse Quelle caractéristique du signal de l'émission doit-on alors modifier pour que le capteur puisse détecter un obstacle situé à une distance inférieure à d min? Justifier votre réponse Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis. 3. Les radars, les capteurs ultrasonores et les capteurs lasers permettent avec des similitudes dans leur principe de fonctionnement de détecter un obstacle. Pourquoi ne pas utiliser alors un seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome? On rédigera une réponse argumentée en s'appuyant sur des informations tirées des différents documents utilisés, y compris le tableau de l'annexe.

7 ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Exercice 2 Tableau à compléter Capteur Type d'onde utilisée par le capteur : mécanique / électromagnétique Points forts Points faibles Radar. Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection. Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques. Capteurs à ultrasons. Réalisation simple, coût abordable traitement simple des données. Précision de détection sujette à la température, sensibilité aux conditions météorologiques. Capteur laser (LIDAR). Longue portée, grande précision, bonne résolution, coût accessible. Dérèglements fréquents, grande sensibilité aux conditions météorologiques, interférences. Fonctionnement de l'émetteur du radar de recul