2/ La propagation du son dans un milieu donné depuis une source quelconque est une onde : tridimensionnelle

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1 TS2-TS4 Devoir surveillé N Vendredi 7//6 Nom et Prénom :.. Exercice QCM sur les ondes (2,75 points) Cocher les réponses exactes, aucune justification n est demandée. / La propagation du son dans l air est une : onde transversale onde longitudinale 2/ La propagation du son dans un milieu donné depuis une source quelconque est une onde : tridimensionnelle unidimensionnelle 3/ Une onde mécanique longitudinale est une onde dont la direction de la perturbation est : perpendiculaire à la direction de propagation. parallèle à la direction de propagation. 4/ Une onde mécanique transversale est une onde dont la direction de la perturbation est : perpendiculaire à la direction de propagation. parallèle à la direction de propagation. 5/ Le son transporte de l énergie : mécanique Electrique 6/ Parmi les propositions suivantes, cocher celles qui sont exactes : Une perturbation mécanique se propage dans le vide Lors de sa propagation, une perturbation mécanique transporte de l énergie La célérité d une perturbation mécanique ne dépend pas du milieu Dans un milieu homogène, la célérité d une perturbation mécanique ne dépend pas de la direction de propagation Plus un son est fort, plus sa propagation est rapide. La longueur d onde correspond à la période temporelle de l onde. La vitesse de propagation d une onde est toujours indépendante du milieu. Au cours de la diffraction, la forme de la perturbation n est pas modifiée. 7/ Lorsque l on augmente la fréquence d une onde, à célérité fixée, on : augmente sa longueur d onde diminue sa longueur d onde 8/ Pour diffracter une onde, il faut la faire passer par une ouverture plus : petite que sa longueur d onde grande que sa longueur d onde 9/ La lumière rouge : correspond à des longueurs d onde plus grandes que celle de la lumière bleue. se situe dans un domaine de fréquences plus petites que celle du domaine de l infrarouge.

2 Exercice 2 : Le numérique dans mon salon (,25 points) Partie : Propagation des ondes radio Ces dernières années, l évolution des technologies a permis des progrès dans les systèmes de transmission de l information. En 25, la télévision numérique terrestre (TNT) apparaît et s étend progressivement à tout le territoire. En 2, la France abandonne totalement la télévision analogique. La TNT a permis le développement de chaînes de télévision supplémentaires qui, en 26, basculent entièrement en haute définition (TNT HD). Certains téléviseurs disponibles actuellement commencent à préparer la prochaine étape avec la ultra haute définition et l arrivée, d ici 225, de la TNT ultra HD. Donnée : Absorption des fréquences par l atmosphère terrestre (mage de la NASA) *Wavelength = Longueur d onde ; *Atmospheric opacity = Opacité atmosphérique. On considère la transmission d une information par un signal de fréquence 8 MHz. Justifier le choix de cette fréquence. 2. On constate que la réception reste possible même si l émetteur relais n est pas visible au niveau de l antenne réceptrice. Le téléviseur est alors connecté à une antenne réceptrice intérieure. Expliquer comment la réception sur cette antenne est possible et justifier en faisant intervenir les dimensions des ouvertures des maisons. 3. Les chaînes de télévision émises par une antenne relais sont reçues en quasi-simultané par tous les récepteurs situés à moins de 5 km de cette antenne. Vérifier cette affirmation en explicitant le raisonnement suivi. Partie 2 : Les caractéristiques d un home-cinéma Depuis une vingtaine d années, les systèmes home-cinéma sont de plus en plus utilisés à domicile. L objectif est de reproduire le plus fidèlement possible l image et le son du cinéma à la maison. Le choix pour le consommateur est parfois difficile, perdu au milieu de sigles et autres arguments commerciaux : HD, full HD, UHD, 4K, OLED, LCD, son 2., 5., TV connectée, etc... Dans cet exercice, on se propose d étudier les principales caractéristiques d un home-cinéma.. L installation sonore Les cinémas ont été les premiers à être équipés de sons multicanaux afin d offrir une spatialisation des effets sonores (le son vient alors de toutes les directions). Caractéristique d une installation sonore 5. Un équipement 5. signifie que «5» haut-parleurs (enceintes) sont utilisés pour retranscrire les voix, les musiques et les effets sonores (alimentés par 5 signaux différents) et que caisson de graves est utilisé pour retranscrire les sons très graves (explosions dans un film par exemple). Les enceintes sont disposées comme sur le schéma ci-dessous. Le caisson de graves (subwoofer) peut être placé n importe où.

3 Échelle des niveaux sonores L intensité sonore de référence pour le calcul d un niveau sonore vaut : =, -2 W.m -2. D après D après Niveaux sonores restitués par les enceintes avant, arrière et par le subwoofer D après À quelle grandeur physique est liée la hauteur d un son?.2. Laquelle des trois courbes représentées dans les documents précédents correspond au caisson de graves? Justifier..3. Un technicien souhaite calibrer correctement une installation home-cinéma. Équipé d un sonomètre, il se place sur le canapé. À l aide de la télécommande, il déclenche un son sur l enceinte centrale uniquement et règle son niveau sonore pour que le sonomètre indique 7 db. l répète l opération pour chacune des quatre autres enceintes. L installation est alors parfaitement équilibrée. Pour finaliser ses réglages, il met en marche simultanément les cinq enceintes (le caisson de graves restant éteint). Le son produit présente-t-il un danger pour l audition du technicien?,5

4 .4. Pour apprécier la qualité des réglages, le technicien écoute alors la musique d un groupe composé d un chanteur, de deux guitaristes, d un violoniste, d un bassiste et d un batteur. Un enregistrement, séparé pour chaque instrument, est réalisé à l aide de micros reliés à un système informatisé. La tension électrique notée U AM en mv, détectée au niveau de l interface informatique, est proportionnelle à la pression acoustique du son ou encore à l intensité sonore. Cette tension en fonction du temps est représentée ci-dessous. u AM(mV) u AM(mV) Document : enregistrement numérique d un son de la guitare. Document 2 : enregistrement numérique d un son de la basse. u AM(mV) Document 3 : enregistrement numérique d un son du violon Document 4 : spectres de fréquences d un son de violon. L enregistrement informatisé d une note jouée par l une des guitares du groupe est représenté par le document ci-dessus. a/ Le son joué par la guitare est-il pur ou complexe? Justifier. b/ À partir du document, déterminer la période de la note jouée par la guitare. En déduire sa fréquence. Un son de basse a été enregistré dans les mêmes conditions que celui de la guitare. c/ Le son émis par la guitare (document ) et celui émis par la basse (document 2) ont-ils approximativement la même hauteur? Justifier. d/ La basse et la guitare ont-elles le même timbre? Justifier. e/ La note émise par le violon (document 3) est-elle plus ou moins aiguë que celle émise par la guitare? Justifier.,75

5 2. La télécommande Pour piloter les différents appareils d un home-cinéma, on utilise une ou plusieurs télécommandes équipées de diodes qui émettent des ondes électromagnétiques dans l infrarouge. Notice technique de la diode de la télécommande Modèle LTE5228A Angle d ouverture 4 Tension Fréquence émise ntensité lumineuse Dimension de l optique,2 V 3, 4 Hz 5 mw/sr 5 mm 2.. Définir ce qu est une onde progressive Quelle est la principale différence entre une onde mécanique et une onde électromagnétique? 2.3. Justifier, à l aide des documents fournis, que le rayonnement émis par la télécommande correspond bien à un rayonnement infrarouge. Exercice 3 : Jeux de lumière (6 points) On envoie de la lumière d un laser de longueur d onde = 632,8 nm sur deux fentes verticales identiques d ouverture a, distantes entre elles d une longueur. L observation se fait sur un écran situé à une distance D = 2, m des fentes. - On mesure un écart angulaire =,6 3 rad, - On mesure une distance de 9,5 cm entre franges brillantes. La photo ci-dessous montre la figure obtenue sur l écran d observation : / Quels sont les phénomènes caractéristiques des ondes qui se produisent? 2/ Expliquer pourquoi ces deux phénomènes apparaissent sur l écran. 3/ Quel phénomène est caractérisé par l écart angulaire? 4/ Calculer l ouverture, notée a, des fentes. 5/ Que peut-on dire quant aux deux ondes lumineuses au niveau des franges sombres? Au niveau des franges brillantes? 6/ Déterminer l écart i entre les deux fentes. 7/ Prévoir l évolution de la figure observée si l on modifie les paramètres suivants, les autres paramètres expérimentaux restent inchangés. a) On augmente l écart entre les deux fentes. b) On diminue l ouverture des fentes. c) On remplace le laser rouge par un laser vert.,25,75

6 Correction Exercice QCM sur les ondes / La propagation du son dans l air est une : onde transversale onde longitudinale 2/ La propagation du son dans un milieu donné depuis une source quelconque est une onde : tridimensionnelle unidimensionnelle 3/ Une onde mécanique longitudinale est une onde dont la direction de la perturbation est : perpendiculaire à la direction de propagation. parallèle à la direction de propagation. 4/ Une onde mécanique transversale est une onde dont la direction de la perturbation est : perpendiculaire à la direction de propagation. parallèle à la direction de propagation. 5/ Le son transporte de l énergie : mécanique Electrique 6/ Parmi les propositions suivantes, cocher celles qui sont exactes : Une perturbation mécanique se propage dans le vide Lors de sa propagation, une perturbation mécanique transporte de l énergie La célérité d une perturbation mécanique ne dépend pas du milieu Dans un milieu homogène, la célérité d une perturbation mécanique ne dépend pas de la direction de propagation Plus un son est fort, plus sa propagation est rapide. La longueur d onde correspond à la période temporelle de l onde. La vitesse de propagation d une onde est toujours indépendante du milieu. Au cours de la diffraction, la forme de la perturbation n est pas modifiée. 7/ Lorsque l on augmente la fréquence d une onde, à célérité fixée, on : augmente sa longueur d onde diminue sa longueur d onde 8/ Pour diffracter une onde, il faut la faire passer par une ouverture plus : petite que sa longueur d onde grande que sa longueur d onde 9/ La lumière rouge : correspond à des longueurs d onde plus grandes que celle de la lumière bleue. se situe dans un domaine de fréquences plus petites que celle du domaine de l infrarouge. Exercice 2 : Le numérique dans mon salon. Propagation des ondes radio.. Pour qu un signal soit bien transmis, il ne doit pas être absorbé par l atmosphère terrestre, autrement dit l opacité atmosphérique doit être nulle. La courbe d absorption fournie est graduée en longueur d onde, il faut donc déterminer de cette onde radio de fréquence = 8 MHz qui se propage à la célérité de la lumière : v soit ici = c 8 3, = =,375 m 6 8 Conclusion : On constate que la fréquence choisie correspond à une longueur d onde qui n est pas absorbée par l atmosphère et permet donc sa transmission sur de longues distances.

7 .2. Plus la longueur d onde est grande devant les dimensions d une ouverture (ou d un obstacle) et plus le phénomène de diffraction de l onde est marqué. Pour les ondes électromagnétiques, il y a diffraction par une ouverture de taille a jusqu à a = x. Ainsi la réception reste possible même si l émetteur n est pas visible par le récepteur. E : émetteur E R R : récepteur E R Sans diffraction (En gris : zone de réception) Avec diffraction.3. Exprimons la durée de propagation de l onde radio pour un parcours de d = 5 km : d c = donc d D t =. Pour un parcours de d 2 = 5 km : d2 D t2 =. Le retard de réception entre ces deux D t c c d points est = Δt Δt 2 = - d2 = ( ) =,5 4 s = ms 8 c 3, Ce retard est si faible que l affirmation «reçues en quasi-simultané» est parfaitement justifiée. Partie 2 : Les caractéristiques d un home-cinéma. L installation sonore.. La hauteur du son est liée à la fréquence exprimée en hertz..2. Le caisson de graves doit restituer avec un bon niveau sonore les sons de basses fréquences. l correspond à la courbe..3. Les intensités sonores des cinq enceintes s additionnent. Déterminons l intensité sonore qui correspond à une enceinte seule avec un niveau d intensité sonore égal à L = 7 db. L = x log L log = L / = x L / 7/ =, 5 W.m -2. =, 2 Déterminons le niveau d intensité sonore L 5 qui correspond au fonctionnement simultané des cinq enceintes. 5 L 5 = log 5 = log 5 L 5 = log 5, = 77 db 2, Ce niveau s intensité sonore est inférieur au seuil de danger de 85 db, il ne présente pas de danger pour l audition du technicien..4 a/le son joué par la guitare est un son complexe car l enregistrement est un signal non sinusoïdal. b/ On mesure la période sur l enregistrement : 2 x T = ms soit T = 5 ms = s sa fréquence est telle que : f = /T = 2 Hz. c/ Le son émis par la basse a approximativement la même période donc la même fréquence soit la même hauteur. d/ Les deux enregistrements sont des signaux périodiques de formes différentes donc on peut dire qu ils n ont pas le même timbre. e/ On voit sur le spectre de fréquences que la fréquence fondamentale du violon est de 5 Hz, elle est donc supérieure à celle de la guitare donc la note jouée par le violon est plus aigüe. 2. La télécommande 2.. Une onde progressive est le phénomène de propagation d une perturbation sans transport de matière, elle s accompagne d un transfert d énergie Une onde mécanique nécessite un milieu matériel pour se propager ce qui n est pas nécessaire pour une onde électromagnétique La notice technique indique la fréquence du rayonnement émis par la diode = 3, 4 Hz. Remarque : ne pas confondre la célérité v et la fréquence!!! = v, pour une onde électromagnétique v = c, ainsi = c soit = 3, 3, 968 nm > 8 nm donc effectivement cela correspond à un rayonnement infrarouge. 8 4 = 9,68 7 m

8 Exercice 3 : Jeux de lumière / On observe une figure de diffraction qui est composée d une tâche centrale et de tâches secondaires de part et d autre de la tâche centrale. On observe également dans chaque tâche composant la diffraction des zones brillantes et des zones sombres : ce sont des franges d interférences. 2/ l s agit de la diffraction de la lumière car la lumière rencontre des fentes, c est-à-dire une ouverture de petite dimension (a est de l ordre de grandeur de ) ce qui provoque un étalement des directions de propagation de la lumière. On observe aussi des interférences car chaque fente se comporte alors comme une nouvelle source de lumière : deux lumières cohérentes (c est-à-dire de même longueur d onde, ce qui est le cas ici car elles proviennent d une même source) peuvent interférer ce qui signifie que leurs intensités respectives s additionnent. 3/ L écart angulaire noté θ caractérise le phénomène de diffraction. l se rattache à la tache centrale de diffraction. Cours : La diffraction d une onde est caractérisée par le demi-angle θ (appelé «l écart angulaire») délimitant les premiers minima d amplitude qui correspondent aux extinctions entourant la tâche centrale de diffraction. 4/ En diffraction, la relation qui lie la longueur d onde λ de l onde lumineuse envoyée, l ouverture a de la fente et l angle θ est θ = x a Donc, d après cette relation : a = x θ Application numérique : a = 632,8 9 x,6 3 = 4, 4 m 5/ Les franges sont caractéristiques du phénomène d interférence entre deux sources de lumière cohérentes. Les deux ondes lumineuses sont en phase au niveau d une frange brillante : elles interfèrent de manière constructive. Les deux ondes lumineuses sont en opposition de phase au niveau d une frange sombre : elles interfèrent de manière destructive. 6/ Entre franges, il y a interfranges donc, i = 9,5/ =,95 cm or i = D/ ce qui donne = D/i Application numérique : = 632,8 9 2, /,95 2 =,3 4 m Donc, =,3 mm 7/ a) Si on écarte les deux fentes, c est l espace entre les deux fentes qui est plus grand, c est donc la grandeur qui augmente. Or, i= D/ donc si augmente alors l interfrange i diminue (d après cette relation). Sur l écran, on voit des franges plus rapprochées sur une figure de diffraction identique. (Les petites taches dans la tache centrale seront encore plus petites.) La figure de diffraction, elle, ne dépend pas de l espace entre les deux fentes. b) Si on diminue l ouverture des fentes, c est la grandeur notée a qui diminue. Or a= θ donc si a diminue, l écart angulaire θ augmente (d après cette relation). Sur l écran, on voit une figure de diffraction plus étalée, (la tache centrale est plus large). Les franges resteront espacées de la même manière car l interfrange i ne dépend pas de l ouverture a des fentes. c) Comme la longueur d onde intervient dans les deux phénomènes, si on diminue la longueur d onde, la figure de diffraction sera moins étalée et les franges d interférences seront plus rapprochées. Pour la diffraction : θ = / a ou = θ a donc si diminue, alors θ diminue pour a fixée. Si l écart angulaire θ : diminue alors la figure de diffraction sera moins étalée. (La tache centrale sera moins large.) Pour les interférences : i= D/ donc si diminue, alors i diminue pour et D fixées. Si l interfrange i diminue alors les franges d interférences seront plus rapprochées. (Les petites taches dans la tache centrale seront encore plus petites.)