CH 1 - TP 1 Détection d'ondes ultrasonores

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1 Travail anticipé : I-1 et ; II-3)a ; III-1 ; I- Mise en évidence d une onde progressive CH 1 - TP 1 Détection d'ondes ultrasonores Une onde est la propagation d une perturbation sans transport de matière. On distingue notamment les ondes mécaniques (comme le son) des ondes électromagnétiques (comme la lumière). Dans un premier temps, nous nous limiterons à l étude des ondes mécaniques. 1) Deux types d'onde On s intéresse ici au déplacement d une impulsion verticale se déplaçant le long d une corde horizontale d une compression de quelques spires d un ressort se déplaçant le long du ressort Questions : a) On observe dans les deux cas une «onde mécanique progressive à une dimension». Définir les termes soulignés. Pourquoi dit-on qu'il n'y a pas de transport de matière? Les schémas ci-dessous représentent la progression de la perturbation sur la corde et de la compression des spires sur le ressort au cours du mouvement. b) Indiquer la direction de propagation de l onde ainsi que la direction de la déformation. c) Ces ondes sont-elles longitudinales ou transversales? d) Légender les schémas avec les termes suivants : «date t 1», «date t», «perturbation», «sens de propagation», «distance parcourue par la perturbation entre les dates t 1 et t». Une onde est dite longitudinale (resp. transversale) si la direction de la déformation du milieu est colinéaire (resp. orthogonale) à la direction de propagation de la perturbation. ) Étude quantitative : détermination de la célérité des ondes La célérité d une onde est la valeur de la vitesse de propagation de la perturbation. S agissant d un transport d énergie sans transport de matière, on préfère utiliser le terme «célérité» plutôt que «vitesse». Expliquer comment déterminer la célérité des deux ondes à partir des schémas. Donner l expression littérale permettant de calculer la célérité d une onde ; nommer les grandeurs physiques et donner leurs unités SI.

2 II- Autre méthode permettant de déterminer la célérité d une onde sonore dans l air 1) Principe Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores inaudibles (car «très aigües»). L émetteur d onde ultrasonore est constitué d un cristal piézo-électrique qui se met à vibrer lorsqu il est soumis à une tension : il transforme un signal électrique en une onde ultrasonore qui provoque la vibration de l air. Le récepteur est également constitué d un cristal piézo-électrique fonctionnant à l inverse de l émetteur. Ici, on alimente l émetteur d onde ultrasonore avec un générateur de tension continue. On se place en mode «continu» : l émetteur génère un signal sonore sous forme sinusoïdale. Le dispositif est le suivant. ) Mesure de la période temporelle T a) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer la période temporelle T des ondes ultrasonores utilisées. b) Vérifier que les ondes émises sont bien des ondes ultrasonores. Donnée :

3 3) Mesure de la longueur d'onde λ a) Définir la longueur d'onde. b) Voici une vue de coupe de la houle au large de Cayenne. Déterminer la longueur d'onde. c) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer de manière précise la longueur d'onde λ des ondes ultrasonores utilisées. III- Célérité des ondes ultrasonores, v : 1) Rappeler la relation entre célérité, fréquence et longueur d'onde. Indiquer les unités des différentes grandeurs. ) Calculer la valeur de la célérité v des ondes ultrasonores en m.s -1 3) Selon «le modèle du gaz parfait» la célérité des ondes ultrasonores dans l'air est donnée par la relation : v ref = γ R T M avec γ=1,4, R=8,31SI, T en K : T(K)=t (C)+73 ; M=8,8x10-3 kg.mol -1 4) Pour pouvoir comparer la valeur théorique déterminée à l'aide de la théorie des gaz parfaits et la valeur expérimentale, il est indispensable de déterminer les incertitudes : Voici la formule ( Δv v ) =( Δ λ λ ) +( ΔT T ) sachant que Δv, Δλ, ΔT les incertitudes absolues des valeurs v, λ, T. L'incertitude sur la valeur de la période est de 5%. L'incertitude sur la distance est à déterminer. Déterminer l'incertitude absolue Δv et déterminer la vitesse sous la forme : v ± Δv 3) Application à l écho-détection/location Certains animaux (dont les chauves-souris) émettent des salves d ondes ultrasonores afin de localiser proies ou obstacles en analysant la durée entre l émission et la réception de ces salves après réflexion. Sur le même principe, dans le bâtiment, on utilise couramment des télémètres pour arpenter. Proposer un schéma permettant de déterminer la distance d à un obstacle au laboratoire. Déterminer la relation entre la distance objet chauve souris, vitesse de l'onde, temps. Peut-on également se faire une idée sur la nature de l objet? Sur le même principe, peut-on utiliser un laser plutôt que des ondes ultrasonores? Expliquer.

4 Travail anticipé : I-1 et ; II- 3)a III-1 ; CH 1 - TP 1 Détection d'ondes ultrasonores PROF I- Mise en évidence d une onde progressive Une onde est la propagation d une perturbation sans transport de matière. On distingue notamment les ondes mécaniques (comme le son) des ondes électromagnétiques (comme la lumière). Dans un premier temps, nous nous limiterons à l étude des ondes mécaniques. 1) Deux types d'onde On s intéresse ici au déplacement d une impulsion verticale se déplaçant le long d une corde horizontale d une compression de quelques spires d un ressort se déplaçant le long du ressort Questions : a) On observe dans les deux cas une «onde mécanique progressive à une dimension». Définir les termes soulignés. Pourquoi dit-on qu'il n'y a pas de transport de matière? Mécanique : qui à besoin d'un milieu matériel pour se propager Progressive : qui se propage de proche en proche une dimension : la déformation se déplace suivant une seule direction Une onde est la propagation d'une déformation. Cette déformation est locale et réversible : c'est à dire qu'elle passe sans transport global de matière. Elle transporte seulement de l'énergie. Les schémas ci-dessous représentent la progression de la perturbation sur la corde et de la compression des spires sur le ressort au cours du mouvement. b) Indiquer la direction de propagation de l onde ainsi que la direction de la déformation. c) Ces ondes sont-elles longitudinales ou transversales? Corde : L'onde est transversale car la déformation est perpendiculaire à la direction de propagation. Ressort : L'onde est longitudinale car la déformation est colinéaire à la direction de propagation. d) Légender les schémas avec les termes suivants : «date t 1», «date t», «perturbation», «sens de propagation», «distance parcourue par la perturbation entre les dates t 1 et t». ) Étude quantitative : détermination de la célérité des ondes Une onde est dite longitudinale (resp. transversale) si la direction de la déformation du milieu est colinéaire (resp. orthogonale) à la direction de propagation de la perturbation. La célérité d une onde est la valeur de la vitesse de propagation de la perturbation. S agissant d un transport d énergie sans transport de matière, on préfère utiliser le terme «célérité» plutôt que «vitesse». Expliquer comment déterminer la célérité des deux ondes à partir des schémas. Donner l expression littérale permettant de calculer la célérité d une onde ; nommer les grandeurs physiques et donner leurs unités SI. Connaissant la distance d parcourue par l'onde en une durée (ou retard) Δt = t t 1, il est possible de

5 déterminer la célérité de l'onde. La formule littérale est : v= d Δt d en mètre Δt et seconde v en m.s -1 avec dans le système international : II- Autre méthode permettant de déterminer la célérité d une onde sonore dans l air 1) Principe Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores inaudibles (car «très aigües»). L émetteur d onde ultrasonore est constitué d un cristal piézo-électrique qui se met à vibrer lorsqu il est soumis à une tension : il transforme un signal électrique en une onde ultrasonore qui provoque la vibration de l air. Le récepteur est également constitué d un cristal piézo-électrique fonctionnant à l inverse de l émetteur. Ici, on alimente l émetteur d onde ultrasonore avec un générateur de tension continue. On se place en mode «continu» : l émetteur génère un signal sonore sous forme sinusoïdale. Le dispositif est le suivant. ) Mesure de la période temporelle T a) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer la période temporelle T des ondes ultrasonores utilisées. Alimenter l'émetteur d'ultrason. Visualiser le signal reçu par le récepteur à l'aide de l'oscilloscope. Une fois le signal obtenu, déterminer la période, possibilités : l'oscilloscope détermine directement la période grâce au curseur, il est possible de déterminer la période (Temps entre points qui vibrent en phase) b) Vérifier que les ondes émises sont bien des ondes ultrasonores. Donnée :

6 3) Mesure de la longueur d'onde λ a) Définir la longueur d'onde. La longueur d'onde est la distance minimale entre deux points qui vibrent en phases. C'est la distance parcourue en une période. b) Voici une vue de coupe de la houle au large de Cayenne. Déterminer la longueur d'onde. λ c) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer de manière précise la longueur d'onde λ des ondes ultrasonores utilisées. Placer le récepteur d'ultrason sur le 0 de la règle Sur l'écran d'oscilloscope observer le signal reçu et placer le curseur vertical sur l'un des max de l'onde. Reculer le récepteur d'une longueur d'onde. (une longueur d'onde a été parcourue lorsque le curseur est à nouveau sur un max) La distance parcourue étant faible, l'incertitude relative sur la mesure est grande (valeur peu précise). Il est donc préférable de mesurer 10λ. III- Célérité des ondes ultrasonores, v : 1) Rappeler la relation entre célérité, fréquence et longueur d'onde. Indiquer les unités des différentes grandeurs. C= λ T =λ f ) Calculer la valeur de la célérité v des ondes ultrasonores en m.s -1 3) Selon «le modèle du gaz parfait» la célérité des ondes ultrasonores dans l'air est donnée par la relation : v ref = γ R T M avec γ=1,4, R=8,31SI, T en K : T(K)=t (C)+73 ; M=8,8x10-3 kg.mol -1 4) Pour pouvoir comparer la valeur théorique déterminée à l'aide de la théorie des gaz parfaits et la valeur expérimentale, il est indispensable de déterminer les incertitudes : Voici la formule ( Δv v ) =( Δ λ λ ) +( ΔT T ) sachant que Δv, Δλ, ΔT les incertitudes absolues des valeurs v, λ, T. L'incertitude sur la valeur de la période est de 5%. L'incertitude sur la distance est à déterminer. Déterminer l'incertitude absolue Δv et déterminer la vitesse sous la forme : v ± Δv 3) Application à l écho-détection/location

7 Certains animaux (dont les chauves-souris) émettent des salves d ondes ultrasonores afin de localiser proies ou obstacles en analysant la durée entre l émission et la réception de ces salves après réflexion. Sur le même principe, dans le bâtiment, on utilise couramment des télémètres pour arpenter. Proposer un schéma permettant de déterminer la distance d à un obstacle au laboratoire. La chauve-souris est à la fois émetteur et récepteur d'onde ultrasonore. L'onde émise sous forme de salves (paquets) va se réfléchir sur une surface avant de revenir vers l'émetteur/récepteur. La distance parcourue par l'onde sera donc le double de la distance séparant l'obstacle de la chauve-souris : d. Donc d = v x Δt Peut-on également se faire une idée sur la nature de l objet? Suivant le matériau réflecteur, l'onde reçu sera plus ou moins atténuée. L'amplitude nous donne donc une idée du matériau. Sur le même principe, peut-on utiliser un laser plutôt que des ondes ultrasonores? Expliquer. Il est possible d'utiliser un laser pour mesurer des distance en remplaçant la célérité des ondes ultrasonores par la célérité des ondes électromagnétiques c = 3, m.s -1. Cette technique est utilisée pour mesurer des longues distances telle que la distance Terre Lune. ( Δt(T-L) =,5s)