Activités séquence n 2 : les ondes qui nous entourent

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1 Séquence n 2 Les ondes qui nous entourent Fiches de synthèse liées à cette séquence : PARTIE B : ondes progressives : introduction PARTIE C : ondes progressives périodiques ACTIVITÉ 1 : qu est-ce qu une onde? Dans la vie courante on entend parler d ondes dans des situations très diverses qui, a priori, ont très peu de points communs. En effet, la définition des ondes par les physiciens est très générale et s applique à des domaines variés. 1. Citer quelques situations de la vie quotidienne (hormis celles décrites ci-après) qui mettent en jeu des ondes. On citera au moins un exemple de phénomène naturel et un exemple de situation créée par l Homme dans un domaine technologique. 2. La définition des ondes par les physiciens est la suivante : DOCUMENT : définitions Définition de l onde progressive Une onde progressive est la propagation de la perturbation d un milieu sans transport global de matière mais avec transport d énergie. Notion de perturbation On dit que l on crée une perturbation d un milieu lorsque l on modifie l une de ses propriétés de manière localisée et réversible. On donne ci-dessous 8 situations : certaines sont mises en œuvre dans la classe, d autres sont illustrées par des photographies ou des animations. Lesquelles font intervenir une onde? Pour chaque situation rejetée, indiquer quel élément de la définition n est pas satisfait. Situations proposées : Situation 1 : une corde d escalade est étendue sur le sol de la salle de classe. Un élève tient une des extrémités et un autre donne une impulsion à l autre extrémité. Situation 2 : une goutte tombe sur la surface d un plan d eau : Situation 3 : dans le désert, les dunes de sable forment des vagues : page 1

2 Situation 4 : un jour d orage, on entend le tonnerre quelques secondes après que l impact a eu lieu. Situation 5 : un jour d orage, on voit l éclair quelques instants après que l impact a eu lieu. Situation 6 : on suspend verticalement un long ressort et on agite de bas en haut son extrémité supérieure. Situation 7 : un pendule est constitué d un petit objet solide suspendu à un fil. On l écarte de sa position d équilibre et on le laisse osciller. Situation 8 : des dominos sont disposés verticalement les uns à côté des autres. On fait tomber le premier ACTIVITÉ 2 : différentes classifications des ondes Partie 1 : ondes longitudinales, ondes transversales On considère ici deux ondes : Fig. 1 : déformation d un ressort par compression des quelques spires à l une de ses extrémités Fig. 3 : déformation appliquée à une corde à l un de ses extrémités d après l animation 1. Pour chacune de ces ondes, indiquer dans quelle direction se déplaceront les points repérés lorsque l onde les atteindra. 2. Pour chaque onde considérée, préciser sa direction de propagation. 3. À l aide du document 1, qualifier de transversale ou de longitudinale les ondes présentées ci-dessus. 4. À un instant donné, une onde sonore qui se propage dans un gaz peut être modélisée par la figure suivante : Fig. 3 : modèle microscopique d une onde sonore dans un gaz L onde sonore est-elle longitudinale ou transversale? DOCUMENT 1 : définitions d ondes transversales et longitudinales Une onde est dite transversale lorsque sa direction de propagation est perpendiculaire à la direction de la déformation. Une onde est dite longitudinale lorsque sa direction de propagation est parallèle à la direction de la déformation. page 2

3 Partie 2 : ondes mécaniques et électromagnétiques DOCUMENT 1 : ondes mécaniques et ondes électromagnétiques Toutes les ondes correspondent à des déplacements d énergie ; on en distingue cependant de deux types en fonction de leur interaction avec le milieu qu elles traversent : les ondes électromagnétiques et les ondes mécaniques. Les ondes mécaniques mettent en mouvement leur support (les vagues agitent le liquide, les tremblements de terre secouent le sol) et l énergie est transmise par ce mouvement. Ce n est pas le cas des ondes électromagnétiques : elles n interagissent pas mécaniquement avec leur environnement. Cela signifie que le support des ondes électromagnétiques n est pas la matière : c est pour cette raison qu elles se déplacent aussi dans le vide, là où il n y a pas de matière. source : page 3

4 DOCUMENT 2 : la nature des ondes électromagnétiques Que font «vibrer» les ondes électromagnétiques pour se déplacer et mériter le nom d ondes? Les champs électriques et magnétiques sont étroitement liés : la modification de l un en un point de l espace entraîne la modification de l autre autour de ce point. Aussi s intéresse-t-on souvent aux champs électrique et magnétique en même temps : on parle de champ électromagnétique. Représentation d une onde électromagnétique Note : les champs électriques et magnétiques sont contenus dans des plans perpendiculaires entre eux Une onde électromagnétique résulte d une vibration simultanée des champs électriques et magnétiques en un point de l espace. Il y a propagation parce que la modification de la valeur du champ électrique en un point entraîne celle du champ magnétique associé autour de ce point, et cette modification du champ magnétique entraîne à son tour une modification du champ électrique tout autour, etc. S il n existait pas, par exemple, de champ magnétique à un endroit, l arrivée d une onde électromagnétique va en créer un, à cause de la variation du champ électrique ; l onde électromagnétique n a donc pas besoin de support matériel. Finalement, les vibrations de proche en proche du champ électromagnétique permettent de propager l énergie utilisée pour créer l onde, au point de départ de celle-ci. source : 5. Citer les deux catégories d onde évoquées dans le document Pour chaque type d onde, préciser : quelles propriétés du milieu sont perturbées par le passage de l onde ; si l onde nécessite un support matériel ou pas. 7. Donner au moins deux exemples d ondes mécaniques : l une relevant d un phénomène naturel et l autre d une situation artificielle créée par l Homme pour les besoins de la technologie. 8. Même question pour les ondes électromagnétiques. page 4

5 DOCUMENT 2 : carte des profondeurs de l Océan Pacifique ACTIVITÉ 4 : mesure de la «vitesse du son» L objectif de l activité est de mesurer ce que l on appelle communément la «vitesse du son», c est-à-dire la célérité des ondes sonores dans l air, puis d analyser la précision du résultat obtenu. 1 ère partie : réalisation de la mesure Présentation du matériel : on dispose de micros, qu il est possible de brancher aux bornes d une carte d acquisition, elle-même connectée à un ordinateur muni d un logiciel de traitement adapté (Latis Pro, Regressi ). On dispose également de deux sources d ondes sonores : une flûte et deux morceaux de bois permettant de générer un «clap» sonore. Le logiciel permet de programmer un déclenchement sur l un des micros et d enregistrer, pendant une durée donnée (à régler), l évolution temporelle des signaux reçus. 1. Le but est d élaborer le protocole d une expérience permettant de mesurer la célérité de l onde sonore dans l air. Dans ce but répondre brièvement aux questions suivantes : laquelle des deux sources proposées doit-on choisir? de combien de micros a-t-on besoin? comment la source et le (ou les) micros doivent-ils être positionnés sur la paillasse au moment de l enregistrement? 2. Rédiger le protocole de l expérience à réaliser. Ce protocole sera illustré d un schéma indiquant les valeurs des différentes distances choisies. 3. L enseignant(e) valide le protocole proposé et donne des indications sur l emploi du logiciel utilisé. Réaliser l expérience décrite à la question Exploitation : Déterminer la valeur du retard qui vous semble la plus probable, vu l allure de votre graphique. Même question pour la distance. En déduire une valeur de la célérité v des ondes sonores dans l air. 2 ème partie : sources d erreur de la mesure 5. Pourquoi tous les binômes du groupe ne trouvent-ils pas le même résultat? Identifier au moins deux raisons. 6. Si un binôme revient cette nuit dans la salle de TP pour refaire sa mesure en utilisant exactement le même matériel et le manipulant exactement de la même manière, trouvera-t-il forcément le même résultat? Pourquoi? Une explication possible est suggérée dans le document ci-après. page 5

6 7. Résumer les réponses aux questions 5 et 6 afin de dresser la liste des sources d erreur de notre mesure. DOCUMENT : célérité des ondes sonores dans un gaz Dans un gaz diatomique (constitué de molécules à deux atomes), la célérité des ondes sonores peut être calculée à l aide de la relation théorique : v = 7 RT 5 M T étant la température (absolue, exprimée en K) du gaz et M sa masse molaire. 3 ème partie : incertitudes et améliorations du protocole 8. On estime que la distance entre les deux micros a été mesurée à 5mm près. Cette valeur s appelle l incertitude absolue de D et on la note : U(D). Pourquoi cette incertitude ne vaut-elle pas 1mm? 9. On appelle incertitude relative de D le quotient U(D)/D. Calculer cette incertitude relative et l exprimer sous la forme d un pourcentage. 10. On estime que l incertitude relative du retard mesuré vaut 5%. Calculer son incertitude absolue U(τ). On montre que l incertitude relative de la vitesse du son que nous avons mesurée vaut : U(v) v = ( U(D) 2 D ) + ( U(τ) 2 τ ) 11. La source d erreur la plus importante sur la mesure de la célérité des ondes sonores est-elle la valeur de D ou celle de τ? Justifier à l aide de la relation précédente et des valeurs obtenues aux questions 9 et Calculer numériquement l incertitude relative de v et en déduire l incertitude absolue U(v). 13. Présenter alors la valeur de v avec son incertitude sous la forme : v = ± m s Parmi les solutions proposées ci-dessous, lesquelles permettraient d améliorer la qualité de la mesure de v? augmenter la distance D ; utiliser un instrument de mesure des distances plus précis ; utiliser un son plus bref. ACTIVITÉ 5 : deux types de périodicités 1 ère partie : reconnaître les deux périodicités Une voiture circule sur une route au milieu de laquelle sont tracés des pointillés. Ils sont ainsi disposés : un tiret de 3m, un espace de 10m, un tiret de 3m, etc. Afin de signaler qu elle va tourner à gauche prochainement, la voiture allume son clignotant, lequel s allume 2 fois toutes les 3 secondes. 1. Dans le texte ci-dessus est mentionné un phénomène temporellement périodique : lequel? Que vaut sa période temporelle T? 2. On appelle «fréquence» du phénomène le nombre de fois qu il se reproduit, identique à lui-même, par unité de temps. En déduire la valeur de la fréquence f du phénomène cité à la question Dans le texte ci-dessus est mentionné un phénomène spatialement périodique : lequel? 4. Calculer sa période spatiale : on appelle ainsi, provisoirement, la plus petite distance au bout de laquelle se reproduit le phénomène. page 6

7 2 ème partie : périodicité(s) dans le cas d une onde Objectif : Distinguer les représentations des perturbations au cours du temps ou dans l'espace et savoir les exploiter. Simulation : dans le logiciel simulason, simuler une onde sonore (elle est sinusoïdale par souci de simplification) de fréquence 1,5 Hz. Observer la représentation microscopique dans le tuyau sonore simulé. 5. Dans la situation réelle, quelle est la grandeur physique qui caractérise le milieu de propagation et varie lors de la propagation d'un son? 6. Représenter ci-dessous la variation spatiale de cette grandeur dans le tuyau sonore à un instant donné (échelle des ordonnées arbitraire). Représentation spatiale : 7. Dans le repère ci-dessous, prévoir la variation temporelle de cette grandeur à un endroit donné pour un capteur qui serait placé dans le milieu (on placera des graduations sur l'axe des abscisses) : Représentation temporelle : Simulations : Vérifier la réponse précédente à l'aide de la fenêtre «évolution temporelle de la pression acoustique» en plaçant le capteur 1 dans le milieu. Ouvrir le logiciel simulacorde et régler les paramètres afin d obtenir une onde périodique sinusoïdale de fréquence 1,5 Hz. Afficher la représentation spatiale de la hauteur de la corde ainsi que la représentation temporelle de la hauteur en un point. 8. On va simuler une onde périodique non sinusoïdale. La représentation spatiale de la grandeur aura l allure représentée à gauche ci-dessous. Sur le graphique de droite, représenter l allure des variations temporelles de la hauteur en un point de la corde, par exemple celui repéré par le petit carré) : Représentation spatiale Représentation temporelle t Simulation : vérifier votre réponse précédente en utilisant le curseur «Déformation». 9. Pour une onde, la période spatiale est appelée «longueur d onde» et est généralement notée λ. Sur tous les quatre graphiques tracés dans cette partie, faire apparaître soit la grandeur «période temporelle» T, soit la grandeur «longueur d onde» λ. 3 ème partie : relation entre période, fréquence et longueur d onde On considère la situation représentée sur le graphique de gauche à la fin de la partie précédente. 10. On note A la position du capteur à l instant où l image est réalisée. On note B le point immédiatement à gauche qui est dans le même état vibratoire que A. Représenter A et B sur la figure. Que représente la distance AB pour l onde étudiée? 11. Comment appelle-t-on, dans ce cas particulier, le retard avec lequel la perturbation B va atteindre le capteur? 12. En utilisant l expression de la célérité v introduite au chapitre précédent, déduire de ce qui précède une relation entre v, et T. 13. Par analyse dimensionnelle, vérifier que la relation obtenue est homogène. page 7

8 ACTIVITÉ 6 : périodicités de la houle Afin de modéliser le phénomène marin de la houle, nous allons utiliser une cuve à ondes. C est un système qui permet de créer des ondes à la surface de l eau et de les visualiser sur un écran. Son fonctionnement est décrit par cette vidéo consultable en ligne. Voici deux photographies de l écran d une cuve à ondes : photographie n 1 : le vibreur est une tige qui agite un point du plan d eau photographie n 2 : le vibreur est un barreau qui agite un ligne du plan d eau 1. Quelle(s) grandeur(s) peut-on mesurer, grâce à ces photographies, parmi la célérité, la fréquence, la période et la longueur d onde de ces ondes? Procéder à ces mesures si elles sont possibles : soit en exploitant directement les photographies ci-dessus ou bien, pour davantage de précision, en téléchargeant ces dernières puis en utilisant le logiciel de traitement d images SalsaJ par la méthode rappelée dans la fiche technique «Mesure d une distance sur une photographie à l aide du logiciel Salsa J» 2. De quoi a-t-on besoin pour déterminer les autres grandeurs? Pourquoi? 3. Les vidéos de ces deux situations sont consultables en ligne ou téléchargeables si l on souhaite utiliser un lecteur plus performant ou un logiciel de pointage. Proposer un protocole permettant de déterminer les valeurs de toutes les grandeurs citées à la question 1, en exploitant ces vidéos. 4. Réaliser les mesures et consigner les résultats. page 8

9 ACTIVITÉ 7 : fréquence, longueur d onde et célérité des ondes ultrasonores Objectif : mesurer la fréquence et la longueur d'onde d'une onde sonore et en déduire la valeur de sa célérité par calcul. Pour mieux comprendre la situation expérimentale on utilisera le logiciel simulason. Il s agit d un simulateur qui anime un modèle microscopique du son dans un tuyau sonore. 1 ère partie : mesure de la fréquence des ultrasons Expérience : Alimenter un émetteur d ultrasons, noté E, à l aide d un GBF réglé à une fréquence proche de 40 khz. Poser, face à E, un récepteur (noté RA sur la figure ci-dessous) branché aux bornes d un système d acquisition. Les paramètres d acquisitions sont les suivants : durée totale : 250 µs ; 500 points de mesure. Réaliser une acquisition. Exploitation : 1. Utiliser le résultat de l acquisition pour réaliser la mesure la plus précise possible de la période de l onde ultrasonore enregistrée. 2. Vérifier que cette valeur de période est compatible avec la fréquence affichée par le GBF. 3. En quoi ce résultat permet-il d interpréter le fait qu on n entende rien? 4. On estime l incertitude de la valeur de fréquence à 5%. En déduire son incertitude absolue et écrire sa valeur sous la forme : f = ( ± ) (unité). 2 ème partie : mesure de la longueur d onde des ultrasons Expérience : Reprendre l expérience précédente, brancher un deuxième récepteur (noté RB) sur la carte d acquisition utilisée et le placer derrière RA. Positionner le récepteur B afin que les signaux reçus par A et B soient en phase (c est-à-dire que les maxima et les minima soient simultanés). Déplacer très lentement le récepteur B et observer l effet produit à l écran. Exploitation et mesure de : 5. À quelle condition sur la position relative de A et B les signaux reçus sont-ils en phase? Aide pour répondre à la question 5 : Avec le logiciel simulason, simuler une onde sonore de fréquence 1,5 Hz, afficher le modèle microscopique ainsi que la fenêtre «évolution temporelle de la pression». Placer deux capteurs dans le tuyau sonore et les disposer afin que les signaux reçus soient en phase. 6. À l aide de ce que vous avez observé, proposer une méthode permettant de mesurer la longueur d onde des ultrasons étudiés. 7. Décrire votre méthode et procéder à la mesure. Noter le résultat obtenu. Amélioration de la précision de la mesure : 8. À l aide du document 1, estimer l incertitude U(λ) de votre mesure précédente et en déduire l incertitude relative, exprimée sous la forme d un pourcentage. Commenter la valeur obtenue. 9. On peut aisément diviser par 10 l incertitude sur la mesure de : comment? 10. Procéder à une nouvelle mesure et noter le résultat sous la forme : = ± (unité) page 9

10 3 ème partie : célérité des ondes ultrasonores 11. Exploiter les résultats obtenus dans les parties 1 et 2 afin de trouver une valeur de la célérité v des ondes ultrasonores dans l air. 12. Calculer les incertitudes relatives U et U f f. À l aide du document 2, déduire de ces valeurs que l incertitude relative sur v est approximativement égale à celle sur λ. 13. En déduire l incertitude absolue sur v et présenter le résultat sous la forme : v = ± (unité) 14. Comparer cette valeur à celle trouvée lors de l activité 4 de cette séquence. Les deux valeurs obtenues sontelles compatibles? DOCUMENT 1 : incertitude d une mesure de distance avec un instrument gradué Si ε désigne la plus petite graduation exploitable d un instrument de mesure, une valeur X mesurée par différence entre deux graduations est entachée d une incertitude de valeur : U(X) = 2 3 ε DOCUMENT 2 : incertitude relative d une mesure indirecte Si une grandeur X est calculée au moyen d une relation de type «produits et quotients», son incertitude relative est la somme quadratique des incertitudes relatives de chacune des grandeurs intervenant dans son expression. Par exemple si X = a/b est calculée à partir des mesures de a et b on a : U(X) X = ( U(a) 2 a ) + ( U(b) 2 b ) page 10