A/ Onde à la surface de l eau

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1 Nom, Prénom, Classe : Terminale S : Interrogation n 2 (1h) A/ Onde à la surface de l eau Une onde est générée sur une cuve à onde par la pointe d un stylet qui frappe la surface de l eau toutes les 50 ms. La photographie de l écran de la cuve est présentée ci-dessous : 12 cm La plaque métallique située en haut de l image permet de donner l échelle du document. 1) Cette onde est-elle mécanique? progressive? périodique? 2) Définir la période temporelle de cette onde. Quelle est sa valeur? Quelle est sa fréquence? 3) Définir la longueur d onde λ et la déterminer avec le plus de précision possible en détaillant la méthode employée. 4) Quelle est la célérité de cette onde?

2 B/ Onde sonore 1) La hauteur d un son indique son intensité sonore son timbre son caractère aigu ou grave 2) L analyse spectrale d un son est la représentation de : l amplitude relative en fonction du temps l intensité sonore en fonction du temps l amplitude relative en fonction de la fréquence 3) Y-a-t-il des différences et/ou des caractéristiques communes (au moins 3) aux sons représentés en fig.a et fig.b? (Justifier) Fig. a Fig. b

3 C/ Diffraction 1) Si une onde est diffractée par un obstacle : sa direction de propagation est modifiée sa fréquence est modifiée sa longueur d onde est modifiée la dimension de l obstacle est grande par rapport à la longueur d onde 2) Donner l expression littérale de l angle de diffraction pour une onde de longueur d onde traversant une fente de largeur a. Définir cet angle sur un schéma. 3) On éclaire une fente de largeur 0,0035mm à l aide du faisceau lumineux issu d un laser He-Ne, de longueur d onde λ = 633nm. - Y a-t-il diffraction? Justifier. - Quel serait l écart angulaire de l onde diffractée à la sortie de la fente? - Que se passe-t-il si on élargit la fente? - Que se passe-t-il si on opte pour un laser vert? - Qu observerait-on en lumière blanche?

4 D/ Une autre caractéristique des ondes 2 cm - Quel(s) est(sont) le(les) phénomènes observés sur cette photo? - A quelles conditions peut-on observer un phénomène d interférence? - Indiquer sur la photo L : largeur de la tache centrale de diffraction et i : interfrange. - Déterminer l interfrange. - Parmi les relations suivantes, laquelle est celle de l interfrange? Expliquer. Information : b : largeur entre les deux fentes ; D : distance bifentes/écran Lorsque l observateur recule l écran, il observe des interfranges plus grandes. S il prend des fentes moins espacées, l interfrange augmente. 1) i = 2) i = 3) i = 4) i = 5) i = 6) i =

5 A/ Onde à la surface de l eau Terminale S : Interrogation n 2 (1h) 1) Cette onde est mécanique progressive puisqu il s agit d une propagation d une perturbation dans un milieu matériel, sans transport de matière. Elle est également périodique car l état de déformation est le même tous les intervalles de temps T. 2) La période temporelle de cette onde est le temps régulier au bout duquel l onde revient dans le même état de déformation (ou : est la plus petite durée au bout de laquelle un point du milieu se retrouve dans le même état vibratoire). Sa valeur est donné dans l énoncé et vaut T = 50ms. Sa fréquence f = 1/T vaut : f = 1/( ) = 20Hz 3) La longueur d onde λ est la plus courte distance séparant deux points de l onde strictement identiques à un instant donné. Pour la déterminer, mesurer le plus de longueur d onde possible sans oublier de prendre en compte l échelle (*2) 4λ = 2,5*2 donc λ = 5/4 = 1,3cm 4) c = λ * f = λ / T AN : c = 1, * 20 = 1, / = 2, m.s -1 B/ Onde sonore 1) La hauteur d un son indique son caractère aigu ou grave. 2) L analyse spectrale d un son est la représentation de l amplitude relative en fonction de la fréquence 3) Caractéristiques du son représenté en fig.a : - son pur (représenté par une sinusoïde) - fréquence fondamentale : 5 x 10 2 Hz ( f = 1/T avec T = 2ms ) Caractéristiques du son représenté en fig.b : - son complexe (son spectre fait apparaitre des harmoniques) - fréquence fondamentale : 500 Hz (1 er pic) Caractéristique commune : même hauteur (même fréquence fondamentale) Différence : le timbre (le son a est pur, le son b est complexe) C/ Diffraction 1) Si une onde est diffractée par un obstacle, sa direction de propagation est modifiée 2) θ = 3) - Pour qu il y ait diffraction, il faut que la taille de la fente et la longueur d onde du laser soit du même ordre de grandeur. OG(a) = 10-6 m ; OG(λ) =10-6 m également. Il y aura donc diffraction. - AN : θ = = 1, rad - Si on élargit la fente, l écart angulaire diminue donc la largeur de la tache centrale de diffraction diminue. - Si on opte pour un laser vert de longueur d onde plus courte, l écart angulaire diminue donc la largeur de la tache centrale de diffraction diminue. - Dans le cas de la lumière blanche, chaque radiation est diffractée avec un angle θ différent en fonction de sa longueur d onde. La superposition des figures de diffraction conduit à une tâche centrale blanche (superposition des toutes les radiations) et à des tâches latérales irisées.

6 D/ Une autre caractéristique² des ondes - On observe une enveloppe de diffraction et des interférences - Le phénomène d interférences a lieu lorsque deux ondes monochromatiques issues d une même source se superposent, (l amplitude de l onde résultante varie dans l espace). - Indiquer sur la photo L : largeur de la tache centrale de diffraction et i : interfrange. i L - On mesure un maximum d interfrange : 10i = 5,6*2/7.7 => i = 1, cm - 2) 3) et 5) ne peuvent convenir car une analyse dimensionnelle les exclu. Lorsque D augmente, i augmente. Ces deux valeurs sont donc proportionnelles ce qui exclut la relation 1). De plus, si b diminue, i augmente. Ces deux valeurs sont donc inversement proportionnelles ce qui exclut la relation 6). La relation qui convient est donc la 4).