Caractériser une onde. Caractériser une onde progressive à une dimension. A) Je sais donner la définition d une onde progressive à une dimension

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1 d Caractériser une onde! PLAN 1 Caractériser une onde progressive à une dimension A) Je sais donner la définition d une onde progressive à une dimension Une onde progressive à une dimension est une perturbation du milieu qui se propage de proche en proche dans une direction de l espace, sans déplacer de matière, avec transport d énergie. ex. : la houle en mer, les ondes sismiques, la lumière, les rayons X, le son, etc. B) Je sais donner la définition des grandeurs associées à une onde, les calculer et les mesurer élongation, amplitude, célérité, retard relation entre le retard, la distance et la célérité : c = τ avec c la célérité de l onde en m.s d la distance parcourue par l onde en m τ le retard en s remarque : on utilise aussi la notation v pour la célérité. C) Je sais décrire une onde avec un vocabulaire précis onde mécanique : onde qui se déplace seulement dans un milieu matériel onde électromagnétique : onde perturbant le champ électromagnétique, qui peut se déplacer dans le vide onde progressive longitudinale : propagation et perturbation se font dans la même direction (ex. : un ressort) onde progressive transversale : propagation et perturbation se font dans des

2 directions perpendiculaires (ex. : la houle) 2 Caractériser une onde périodique A) Je sais reconnaître une onde périodique et son cas particulier : l onde sinusoïdale onde périodique : onde dont la perturbation en un point quelconque du milieu se répète identique à elle-même à intervalles de temps réguliers Elle présente deux périodicités, une dans le temps et l autre dans l espace. ex. : les ondes sonores, les ondes électromagnétiques, les cordes vibrantes de guitare, etc. onde sinusoïdale : onde dont l amplitude est une fonction sinusoïdale du temps B) Je sais donner la définition des grandeurs associées à l onde périodique, les calculer et les mesurer fréquence, période, célérité, longueur d onde λ relation entre la longueur d onde, la période et la célérité : c = T avec c la célérité de l onde en m.s λ la longueur d onde en m T la période en s relation entre la longueur d onde, la fréquence et la célérité : c = f λ avec c la célérité de l onde en m.s λ la longueur d onde en m f la fréquence en Hz C) Je sais décrire une onde périodique avec un vocabulaire précis en phase : se dit de deux points de l espace vibrant de façon identique en opposition de phase : se dit de deux points vibrant de façon opposée

3 3 Caractériser une onde sonore A) Je sais décrire une onde sonore vibration dans l espace des entités constituant le milieu de propagation suite de compression et dilatation du milieu de propagation grandeur décrivant la perturbation de l onde sonore : variation locale de pression onde mécanique : le son se propage nécessairement dans un milieu matériel plus le milieu est dense, plus la célérité de l onde sonore est grande infrason < 20 Hz < son audible < Hz < ultrason B) Je sais discuter des grandeurs associées à l onde sonore, les calculer et/ou les mesurer son intensité sonore pour quantifier l énergie transportée son niveau d intensité sonore pour la perception du volume sonore sa fréquence pour quantifier la hauteur de la note (aiguë ou grave) I relation entre le niveau sonore, la période et la célérité : L = 10 log( I0 L le niveau d intensité sonore en db (décibels) I l intensité sonore en W.m -2 ) avec I 0 l intensité sonore correspondant au seuil d audibilité moyenne de l oreille humaine à 1 khz, I = 10 W.m C) Je sais décrire un son avec du vocabulaire précis son pur : onde sonore sinusoïdale ex. : le diapason produit un son pur son complexe : onde sonore périodique mais non sinusoïdale, elle est la superposition d ondes sinusoïdales ex. : tous les autres instruments de musique produisent un son complexe

4 D) Je sais exploiter l analyse spectrale d un son musical La fréquence de l harmonique fondamentale permet de déterminer la hauteur de la note (sensation de l aiguë ou du grave). La comparaison de l amplitude et du nombre des harmoniques permet de distinguer les différents timbres, le timbre étant la sensation physiologique permettant de distinguer différents instruments de musique.

5 Caractériser une onde " EN PRATIQUE 1 Caractériser une onde progressive à une dimension! Déterminer le retard Le retard se mesure sur un enregistrement comprenant le signal de l onde émise et celui de l onde reçue en fonction du temps. On réalise la mesure du retard entre le début du signal de l émetteur et le début du signal du récepteur. Souvent une division est divisée en cinq sous-divisions, donc il faut compter de 0,2 en 0,2 et non de 0,1 en 0,1. Sois vigilant!! Déterminer la célérité d une onde Pour déterminer la célérité d une onde le long d une corde : clique ici. Pour déterminer la célérité d une onde à la surface de l eau : clique ici.

6 ! Déterminer une distance par écholocation Protocole TP BAC! Place l émetteur et le récepteur côte à côte, face à l obstacle, ce dernier étant placé à une distance d inconnue. Mesure le retard entre l émission et la réception d une onde sonore après réflexion sur l obstacle. Connaissant la vitesse de l onde sonore dans l air, calcule la distance. L onde fait un aller puis un retour : il ne faut pas oublier de diviser le retard par 2, pour en tenir compte. Une animation pour visualiser un exemple concret d écholocation avec le sonar : clique ici. 2 Caractériser une onde périodique! Déterminer la période sur un graphique La période se mesure sur un enregistrement représentant l élongation de l onde en fonction du temps. Remarques : Pour augmenter la précision de la mesure, mesure la durée du plus grand nombre possible de périodes et divise ensuite par le nombre de périodes.

7 Ici on pourrait mesurer 3 périodes, puis diviser par 3. Lorsque l échelle n est pas assez divisée, pour avoir une plus grande précision, utilise la règle pour mesurer la longueur correspondante et détermine l échelle, au lieu de compter à peu près les divisions.! Déterminer la longueur d onde La longueur d onde se mesure sur un graphique représentant l élongation de l onde en fonction d une coordonnée de l espace. 3 Caractériser un son! Réaliser l analyse spectrale d un son

8 Protocole TP BAC! Enregistre le signal sonore en fonction du temps à l aide d un microphone et d une interface numérique. On obtient la courbe de la tension en fonction du temps. Fais tracer le spectre en fréquence (ou l analyse spectrale, ou la transformée de Fourrier) du signal par le logiciel d acquisition. On obtient un graphique représentant l amplitude en fonction de la fréquence.! Je sais exploiter l analyse spectrale d un son Le spectre en fréquence d un son permet de : déterminer la hauteur de la note à l aide de la fréquence du fondamental (son aigu = haute fréquence, son grave = basse fréquence) discuter du timbre d un son en analysant sa composition spectrale : c est-à-dire la présence et l amplitude relative des harmoniques

9 Caractériser une onde! FORMULES Relation entre le retard, la distance et la célérité c la célérité de l onde en m.s d la distance parcourue par l onde en m τ le retard en s c = d τ Relation entre la fréquence et la période f la fréquence de l onde en Hz (qui correspond à des s ) T la période en s f = 1 T Relation entre la célérité, la période et la longueur d onde c la célérité de l onde en m.s λ la longueur d onde en m T la période en s c = λ T Relation entre la célérité, la fréquence et la longueur d onde c la célérité de l onde en m.s λ la longueur d onde en m f la fréquence en Hz c = λ f Niveau d intensité sonore L en db

10 L le niveau d intensité sonore en db (décibels) I l intensité sonore en W.m I 0 l intensité sonore correspondant au seuil d audibilité moyenne de l oreille humaine à 1 khz, I = 10 W.m -2 I L = 10 log( ) I 0

11 Caractériser une onde! VALEURS 340 m.s m.s Célérité d une onde sonore dans l eau Célérité d une onde sonore dans l air 3, m.s Célérité des ondes électromagnétiques dans le vide (valeur de vitesse infranchissable) nm Domaine de longueur d onde des ondes électromagnétiques visibles 20 à Hz Domaine de fréquence de sons audibles 120 db Seuil de douleur du niveau d intensité sonore

12 Caractériser une onde! DÉFINITIONS Amplitude A Élongation maximale. Son unité dépend de l onde considérée. Célérité c en m.s Vitesse de propagation d une onde. Remarque : on utilise aussi la notation v. Élongation Mesure correspondant à la variation d une grandeur physique du milieu et décrivant la perturbation causée par l onde. L élongation dépend du point observé et de l instant considéré. Le symbole et l unité dépendent de la grandeur choisie. Fréquence f en Hz Nombre de perturbations identiques par unité de temps. Intensité sonore I en W.m -2 Énergie transportée par l onde sonore par unité de temps et de surface. Longueur d onde λ en m Plus petite distance au bout de laquelle la perturbation est reproduite identique à elle-même. C est aussi la plus petite distance entre deux points en phase, ou alors la distance parcourue en une période.

13 Niveau d intensité sonore L en db Grandeur permettant de rendre compte de l intensité sonore avec une échelle agréable à utiliser ( 0 à 150 db). Un décibel (db) correspond à la plus petite variation de niveau sonore perceptible par l oreille humaine. Période T en s Plus petite durée au bout de laquelle la perturbation se répète identique à elle-même. Pour la mesurer, on regarde la perturbation se produisant en un point de l espace. Retard τ en s Durée au bout de laquelle la perturbation s est propagée d un point à un autre du milieu.

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