Niveaux : Terminale S Thème : Observer- Ondes et matières Caractéristiques et propriétés des ondes

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1 Niveaux : Terminale S Thème : Observer- Ondes et matières Caractéristiques et propriétés des ondes Terminale STI2D Thème : Transport L assistance au déplacement Type de ressources : activité expérimentale. Notions et contenus : Evaluer la fréquence, la longueur d onde d une onde ultrasonore dans l air pour en déduire sa célérité. Influence de la température. Compétences abordées : - Réaliser - Analyser - Valider - Communiquer Nature de l activité : Activité expérimentale utilisant le logiciel Latispro avec calcul d incertitude. Résumé : L activité proposée se situe dans la partie «Observer» du programme de terminale S ou dans la partie «Transport» du programme de terminale STI2D. Elle a pour but de sensibiliser les élèves à la notion d incertitude dans le cas d une mesure unique (type B), à la propagation d incertitudes puis à la validation d un résultat obtenu. Il s agit de déterminer expérimentalement la célérité d une onde ultrasonore. Dans un premier temps, l élève devra évaluer la fréquence, puis la longueur d onde d une onde ultrasonore. Ensuite, il devra en déduire la valeur de la vitesse de l onde étudiée et vérifier si son intervalle de confiance contient la valeur théorique fournie. Le calcul d incertitude pourra être partiellement ou totalement automatisé par le fichier «GPS_Mesures_Incertitudes_2014_Terminale_S_STI2D_Capteur_ultrasonore_Annexe_Version_2» Mots clefs : Célérité d une onde ultrasonore, incertitudes de type B, incertitudes composés, erreur systématique. Académie où a été produite la ressource : Académie de Strasbourg.

2 Physique Chimie Programme de terminale S, Observer, Ondes et matières & Programme de terminale STI2D, Transport Comment un capteur à ultrasons pour automobile fonctionne-t-il? Objectifs : - Évaluer, à l aide d une formule fournie, l incertitude d une mesure obtenue lors de la réalisation d un protocole dans lequel interviennent plusieurs sources d erreurs. - Maîtriser l usage des chiffres significatifs et l écriture scientifique. Associer l incertitude à cette écriture. - Commenter le résultat d une opération de mesure en le comparant à une valeur de référence. - Connaître et exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d onde et la célérité. - Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la période, la fréquence, la longueur d onde et la célérité d une onde progressive sinusoïdale. - Utiliser un logiciel d acquisition et de traitement de donnés. Le contexte : Sur le site internet d un constructeur de pièces automobiles, on trouve les informations suivantes Notre société propose aujourd hui des dispositifs de surveillance d angle mort aux constructeurs automobiles. Ce système assiste le conducteur dans des situations dangereuses. Capteur ultra-son Les variantes et les fonctions du système peuvent ainsi être facilement combinées entre elles et intégrées dans le véhicule. Il s'agit d'un avantage financier incontestable pour le constructeur automobile, en particulier comparé aux systèmes optiques ou radar. Les capteurs à ultrasons fonctionnement par écholocation, tout comme les chauves-souris pour s'orienter. Les capteurs envoient de courtes impulsions ultrasonores reflétées par les obstacles. Les signaux d'écho sont enregistrés par les capteurs, puis évalués par l'unité de commande centrale. Document 1 : Le matériel. Dispositif pour l étude des ultrasons (un émetteur et deux récepteurs) muni d un règle glissière graduée au millimètre, un fréquencemètre et sa notice, longs fils, carte Sysam sp5 (ou autre type). Le fichier «GPS_Mesures_Incertitudes_2014_terminale_S_STI2D_Capteur_ultrasonore_Annexe» Document 2 : La mise en place du matériel. Les ondes ultrasonores sont des vibrations de pression, comme les ondes sonores, mais de fréquences supérieures aux fréquences audibles par l homme. Vous disposez d un émetteur d ultrasons E et de deux récepteurs R1 et R2. - Placer les deux récepteurs en face de l émetteur, au même niveau en début de règle et relier chacun d eux à une voie d entrée de la carte d acquisition (on veillera à ne pas utiliser deux voies couplées issues d un même canal, par exemple EA1 et EA5) ; - Dans la fenêtre Acquisition : choisir le mode d «Acquisition» temporelle, choisir 500 Points pendant 50 µs ; cocher la case «mode permanent» ; - dans la fenêtre «Déclenchement», choisir R1 comme source. - Lancer l acquisition par la touche F10 ou par le bouton correspondant ; - Positionner le récepteur R2 de manière à ce que les deux récepteurs R1 et R2 soient en phase. Remarque : pour sortir du mode permanent, on utilisera la touche ESC du clavier.

3 TRAVAIL A EFFECTUER A) Etude du signal ultrasonore : A.1. Périodicité temporelle : Alimenter l émetteur E d ultrasons à l aide de l alimentation de la carte d acquisition en respectant la polarité (+12V - masse) ; Positionner le commutateur sur «Continu». A l aide du fréquencemètre mis à votre disposition et du fichier annexe, mesurer la fréquence de l onde ultrasonore émise et évaluer son incertitude : f US = ± A l aide du document 2, procéder à la mise en place du matériel. A l aide des fonctionnalités du logiciel, retrouver cette valeur. La mesure issue du logiciel appartient-elle à l intervalle de confiance? APPEL N 1 Appeler le professeur pour vérification de la mesure «Les ondes ultrasonores sont de fréquences supérieures aux fréquences audibles par l homme» Justifier. A.2. Périodicité spatiale : En maintenant R1 immobile, éloigner doucement R2 de l émetteur sur une dizaine de centimètres. Noter vos observations, Dire si les ondes ultrasonores sont des ondes longitudinales ou des ondes transversales. On souhaite mesurer avec le plus de précision possible la valeur de la longueur d onde de l onde ultrasonore utilisée. APPEL N 2 Appeler le professeur pour lui exposer oralement le protocole expérimental ou en cas de difficulté A l aide du fichier annexe, en déduire la longueur d onde de l onde ultrasonore émise et son incertitude : λ US = ±

4 A.3. Célérité de l onde ultrasonore : A l aide du fichier annexe et des mesures effectuées précédemment, évaluer finalement la vitesse de l onde ultrasonore, ainsi que son incertitude : v US = ± La théorie cinétique des gaz permet de modéliser l influence de la température sur la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l air. La courbe suivante en est le résultat : 360,0 355,0 350,0 345,0 340,0 335,0 330,0 v US (m/s) v US en fonction de la température v US = 20,05T 0,5 325,0 320,0 T (K) 260,0 265,0 270,0 275,0 280,0 285,0 290,0 295,0 300,0 305,0 Mesurer la température de la salle, puis reporter sur le graphique ci-dessus la valeur de la vitesse des ondes ultrasonores que vous avez mesurée ainsi que son intervalle de confiance. La mesure réalisée peut-elle être validée? Expliquer.

5 B) Le capteur à ultrason, un système d aide à la conduite : Sur le site internet d un équipementier automobile, on peut donc lire : «Les capteurs à ultrasons fonctionnement par écholocation, tout comme les chauves-souris pour s'orienter. Les capteurs envoient de courtes impulsions ultrasonores reflétées par les obstacles. Les signaux d'écho sont enregistrés par les capteurs, puis évalués par l'unité de commande centrale.» Votre travail : En utilisant l ensemble micro-casque et Audacity et en vous appuyant sur l étude de la propagation des ondes ultrasonores que vous venez de réaliser, il vous est demandé d enregistrer un fichier audio dans lequel vous devrez : indiquer les noms constituants votre binôme ; préciser la nature de la grandeur mesurée par l unité de commande permettant le fonctionnement du dispositif ; préciser la formule qu il faudra entrer dans le calculateur de l unité de commande et qui permettra le fonctionnement du dispositif ; on désignera par d la distance entre le véhicule équipé et l obstacle et par la célérité de l onde ultrasonore. justifier enfin si oui ou non, il faudra effectuer une correction sur la valeur de la vitesse des ultrasons lors de l utilisation du dispositif par temps froid (-10 C) ou par temps chaud (+30 C) en évaluant l erreur systématique de la mesure. Pour cela, on supposera que l obstacle se trouve à 1,00m du capteur et que le dispositif a été préalablement optimisé pour un fonctionnement à une température de 15 C : la vitesse des ondes ultrasonore retenue par le calculateur est donc de 340 m/s. On commencera par évaluer la valeur théorique de la durée d un aller-retour à chaque température en s appuyant sur le graphique fourni à la question A.3.. Votre fichier sera renommé sous le format «US_Nom1_Nom2». APPEL N 3 Appeler le professeur pour lui présenter votre fichier audio ou en cas de difficulté

6 A) Etude du signal ultrasonore : A.1. Périodicité temporelle : Quelques pistes pour la correction. Mesure de la fréquence au fréquencemètre : 0,1 2 (40,1 =40,1 ± ,1) =(40,1±0,4 ) 3 A l aide du document 2, procéder à la mise en place du matériel. A l aide des fonctionnalités du logiciel, retrouver cette valeur. La mesure issue du logiciel appartient-elle à l intervalle de confiance? Il s agit d évaluer la fréquence (par une modélisation, par le réticule ) et de vérifier que la valeur obtenue était bien comprise dans l intervalle obtenue dans la question précédente. «Les ondes ultrasonores sont de fréquences supérieures aux fréquences audibles par l homme» Justifier. f > 20kHz. A.2. Périodicité spatiale : En maintenant R1 immobile, éloigner doucement R2 de l émetteur sur une dizaine de centimètres. Noter vos observations, On déplace le récepteur dans l espace. On visualise les zones de compressions et dilatations successives. En vous appuyant sur vos observations, dire si les ondes ultrasonores sont des ondes longitudinales ou des ondes transversales. La direction de la perturbation (compression) est colinéaire à la direction de la propagation de l onde US : il s agit d une onde longitudinale. On souhaite mesurer avec le plus de précision possible la valeur de la longueur d onde de l onde ultrasonore utilisée. On mesure n longueurs d onde, n 10. A l aide du document 3, en déduire la longueur d onde de l onde ultrasonore émise : A.3. Célérité de l onde ultrasonore : 10 =88 ± 2 1=88 ±0,9 3 =8,8 ±0,09 =8,8 ±0,1 A l aide du document 5 et des mesures effectuées précédemment, évaluer finalement la vitesse de l onde ultrasonore, ainsi que son intervalle de confiance. = = =8, ,1 10 =353 /# $( ) =% 0,4 40,1 & ' +% 0,1 8,8 & ' =1,5 10 ' $( )=1,5 10 ' =1,5 10 ' 353=5,3 /# =353 ±6 /#

7 La théorie cinétique des gaz permet de modéliser l influence de la température sur la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l air. La courbe suivante en est le résultat : 360,0 355,0 350,0 345,0 340,0 335,0 330,0 v US (m/s) v US en fonction de la température v US = 20,05T 0,5 325,0 320,0 T (K) 260,0 265,0 270,0 275,0 280,0 285,0 290,0 295,0 300,0 305,0 Mesurer la température de la salle, puis reporter sur le graphique ci-dessus la valeur de la vitesse des ondes ultrasonores que vous avez mesurée ainsi que son intervalle de confiance. La mesure réalisée est-elle validée? Expliquer. T = 28 C La valeur théorique appartient à l intervalle de confiance de notre mesure. Notre mesure est donc validée. B) Le capteur à ultrason, un système d aide à la conduite : Sur le site internet d un équipementier automobile, on peut donc lire : «Les capteurs à ultrasons fonctionnement par écholocation, tout comme les chauves-souris pour s'orienter. Les capteurs envoient de courtes impulsions ultrasonores reflétées par les obstacles. Les signaux d'écho sont enregistrés par les capteurs, puis évalués par l'unité de commande centrale.» Votre travail : En utilisant l ensemble microcasque et audacity et en vous appuyant sur l étude de la propagation des ondes ultrasonores que vous venez de réaliser, il vous est demandé d enregistrer un fichier audio dans lequel vous devrez : indiquer les noms constituants votre binôme ; préciser la grandeur mesurée par l unité de commande permettant le fonctionnement du dispositif ; *, durée d un aller-retour préciser la formule qu il faudra entrer dans le calculateur de l unité de commande et qui permettra le fonctionnement du dispositif ; on désignera par d la distance entre le véhicule équipé et l obstacle. += 1 2 * justifier si oui ou non, il faudra effectuer une correction sur la valeur de la vitesse des ultrasons lors de l utilisation du dispositif par temps froid (-10 C) ou par temps chaud (+30 C). Pour cela, on supposera que l obstacle se trouve à 1,00m du capteur et que le dispositif a été préalablement optimisé pour un fonctionnement à une température de 15 C. A -10 C=263 K, *,-é/01234 = ' 5,66 =6,15 # #89* + '7 :;<:3<é4=0, ,15 10 =1,05 A +30 C=303 K, *,-é/01234 = ' 5,66 =5,73 # #89* + >? :;<:3<é4 =0, ,73 10 =0,974 L erreur systématique de la mesure est inférieure à 5%. La correction ne semble pas nécessaire pour un tel dispositif.