Les parties A, B et C sont indépendantes

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1 DS1. PHYSIQUE CHIMIE REDIGER LES EXERCICES SUR DES PAGES SEPAREES. L usage de la calculatrice est autorisé. LE SUJET SERA IMPERATIVEMENT RENDU AVEC LES COPIES, même si les annotations sur le sujet ne seront pas prises en considération par l évaluateur sauf celles sur l annexe. TS EXERCICE 1. LES POLES D INTERET DE MIKE (9 PTS) Membre d un groupe de rock et très intéressé par la propagation des ondes acoustiques. Mike réalise différentes expériences avec celles qui sont audibles (les sons) et se documente sur différentes applications. Il souhaite mesurer la célérité d un son et solutionner un problème de détection utilisant des ultrasons. Partie A. Célérité : première méthode Les parties A, B et C sont indépendantes Deux microphones identiques M 1 et M 2 sont alignés de telle manière que la distance M 1 M 2 soit égale à 200 ± 2 cm. Les signaux électriques correspondant aux sons reçus par les microphones sont enregistrés grâce à un ordinateur. Mike lance l enregistrement puis donne un coup de cymbale devant le premier micro M 1. Les courbes obtenues sont représentées ci-après. La température de la pièce est de 25 C. Microphone M1 : Tension (V) Microphone M2 : Tension (V) Temps (s) Temps (s) 1. Comment peut-on déterminer la célérité de l onde sonore à l aide des courbes obtenues? Présenter la démarche à suivre. Aucun calcul numérique n est demandé. 2. Effectuer le calcul de la célérité de l onde sonore à partir des courbes expérimentales, sans utiliser de règle pour les mesures mais uniquement les graduations des axes des enregistrements, tout en étant le plus précis possible. 1

2 Les recherches de Mike lui ont permis de recueillir les informations des documents 1. et 2. suivants. Documents 1. Évaluation des incertitudes sur une mesure avec plusieurs sources d erreurs Pour estimer avec un niveau de confiance de 95%, la valeur t de l incertitude absolue de mesure d une durée t sur un axe gradué, deux formules peuvent être utilisées en fonction du type de mesurage : dans le cas d un mesurage nécessitant une lecture simple, l incertitude absolue est égale à : U(t) lecture simple = 2p 12 dans le cas d un mesurage nécessitant une double lecture, l incertitude absolue est égale à : avec p une graduation de l échelle graduée. U(t) lecture double = 2p2 L incertitude absolue U(v) sur une vitesse s exprimant sous la forme v = L, se calcule avec la relation suivante : τ U(v) v = ( U(L) L )2 + ( U(τ) τ )2 où U(L) et U(τ) désignent les incertitudes absolues de mesure de L et de τ Vérifier que la valeur expérimentale de la célérité du son dans l air est compatible avec celle inscrite dans la table de données. La justification reposera sur un résultat de mesurage présenté avec son incertitude sous la forme «v = ±...» ; Document 2. Valeur de la célérité du son en fonction de la température 3.2. Estimer la qualité du mesurage ("précision de la mesure") Formuler deux propositions permettant d améliorer la qualité du mesurage. Partie B. Célérité : deuxième méthode Mike dispose maintenant les deux microphones M1 et M2 à la même distance d d un diapason. Il remarque que les signaux sont en phase (position 1 du microphone M2). Mike éloigne le microphone M 2 peu à peu jusqu à ce que les courbes soient de nouveau en phase : position 2. Il réitère l opération jusqu à compter cinq positions (position 1, 2, 3, 4, 5 et 6) pour lesquelles les courbes sont à nouveau en phase. La distance D entre la position 1 et la position 6 du microphone M2 est alors égale à 375 cm. Le signal délivré par le microphone 1 est représenté sur l enregistrement reproduit sur la feuille annexe en page 5. La température lors de l expérience n est pas connue. 1. Déterminer la fréquence du son émis par le diapason. Les sensibilités (calibres) des voies de l oscilloscope sont les mêmes. On rappelle que les microphones sont identiques. 2. Compléter l enregistrement de l annexe en représentant l allure du signal capté par le microphone 2 lorsque les deux signaux sont en opposition de phase. 3. Donner la définition de la longueur d onde. Déduire sa valeur numérique de l expérience précédente. 4. Déduire des résultats obtenus aux questions précédentes 1. et 3., la valeur de la célérité du son dans l air dans les conditions de l expérience. 5. Pourquoi compte-t-on plusieurs retours de phase plutôt qu un seul? 2

3 Partie C. Une application des ondes acoustiques Au cours de ses recherches, une application de la propagation des ondes acoustiques retient l attention de Mike : la détection marine utilisés au quotidien par les plaisanciers et les pêcheurs. Elle s effectue grâce à des appareils sondeurs qui permettent par exemple de localiser un banc de poissons en représentant sur un écran la profondeur de ce banc de poisson sous l eau. Mike dispose des informations suivantes : Un exemple de sondeur L appareil est relié à une sonde supposée placée à la surface de l eau qui envoie des impulsions ultrasonores de fréquence 83 khz dans l eau en forme de cône avec une intensité maximale à la verticale de la sonde. Le signal réfléchi par le poisson appelé écho est capté par la sonde puis analysé par l appareil en mesurant par exemple la durée entre l émission et la réception ainsi que l intensité de l écho. Vitesse de propagation du son dans l eau La vitesse de propagation vson du son (égale à celle des ultrasons) dans l eau varie en fonction de plusieurs paramètres du milieu : la température, la salinité S (masse de sel dissous dans un kilogramme d eau, exprimée ici en ) et la pression, c est-à-dire la profondeur. Pour de faibles profondeurs, nous pouvons utiliser le modèle de Lovett (1). (1) Le modèle de Lovett est reproduit sur la feuille annexe en page 5. Réflexion des ondes acoustiques L écho reçu après la réflexion d une onde acoustique sur un poisson nécessite un traitement spécifique pour être interprété. En effet de nombreux facteurs influent sur l intensité et la direction de propagation du signal. Avant tout, la géométrie du système influe sur le signal, aussi bien celui émis par le sondeur que celui réfléchi par le poisson. Le poisson qui sert de réflecteur modifie l onde de différentes façons. Si l organisme marin est petit par rapport à la longueur d onde, l onde est réfléchie de façon très peu directionnelle, il se comporte comme un point diffusant et sa forme réelle a peu d influence. Si sa taille est plus grande que la longueur d onde alors la réflexion est directionnelle. Selon l orientation du poisson, son anatomie et sa position par rapport à l axe du signal émis, l écho est plus ou moins déformé. Pour la science, n 436, Février 2014 Problème À l aide des documents, indiquer si le sondeur étudié permet de détecter une sardine située à la perpendiculaire et à la verticale de la sonde dans une mer de température θ = 10 ºC et de salinité S = 35 (pour mille). Toute initiative prise pour résoudre cette question sera valorisée La qualité de la rédaction explicitant la démarche suivie sera prise en considération. 3

4 EXERCICE 2. OBSERVATION DEPUIS LA TERRE OU DEPUIS L ESPACE (3 PTS) Observer dans le domaine de l infrarouge L atmosphère terrestre impose une limite aux observations dans l infrarouge, notamment à cause de la vapeur d eau. Celle-ci absorbe le rayonnement infrarouge venu des astres et le rediffuse dans l atmosphère. C est le même principe que l effet de serre qui empêche la fuite du rayonnement infrarouge de la Terre. En limitant la quantité de lumière infrarouge, la vapeur d eau limite la sensibilité des télescopes terrestres. Les objets célestes les moins intenses, soit peu lumineux soit très distants, sont ainsi difficilement détectables depuis le sol. Pour s affranchir de cette limite, les astronomes placent leurs télescopes sur des hauts plateaux désertiques et secs (par exemple à m dans le désert de l Atacama au Chili, à Hawaï ou encore au Pic du Midi en France) ou au-dessus de l atmosphère, en orbite autour de la Terre. Ce second choix, plus coûteux, limite la taille du télescope à la capacité du lanceur et sa durée de vie à la quantité d hélium embarqué. Néanmoins, malgré ces limites, le télescope spatial présente par rapport à son homologue terrestre l avantage de s affranchir des turbulences atmosphériques qui perturbent le cheminement des photons et réduisent la qualité de l image. Spectres d absorption de quelques espèces présentes dans l atmosphère D après 1 Donner des exemples de sources de rayonnement dans le domaine de l infrarouge. 2 Compléter la figure 1 de la feuille annexe en page 5 en attribuant à chacun des quatre intervalles le domaine de radiation qui lui correspond. 3 Justifier que l on rende l eau responsable de l absorption des infrarouges. 4 Préciser et expliquer les conditions particulières permettant l observation au sol dans l infrarouge. 5 Le rayonnement visible arrive jusqu au sol. Quelle est alors l utilité des télescopes spatiaux travaillant dans le visible? 4

5 NOM : ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Exercice 1. Partie A Enregistrement des tensions aux bornes des microphones M1 et M2 Exercice 1. Partie B Temps (ms) Modèle de Lovett Exercice 2 Figure 1 5