DEVOIR SURVEILLÉ DE SCIENCES PHYSIQUES TLE S

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1 DEVOIR SURVEILLÉ DE SCIENCES PHYSIQUES TLE S CONSIGNES À LIRE IMPÉRATIVEMENT : Le sujet entier non dégrafé est Á RENDRE AVEC LA COPIE. La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l orthographe et à l expression écrite. L UTILISATION DES CALCULATRICES EST AUTORISÉE. Compétences spécifiques Utiliser l effet Doppler. Etudier le phénomène d interférences. Connaître et exploiter la relation liant le niveau d intensité sonore à l intensité sonore. Connaître les groupes caractéristiques et les règles de nomenclature. Comprendre l émission et la détection d une onde mécanique. Compétences transversales Mobiliser les Connaissances. Présenter des résultats d expériences, Appliquer les méthodes : réaliser un tableau, un graphique, des calculs, étude statistique, écriture scientifique. Raisonner: Exploiter des documents, des résultats d expériences, résoudre un problème, avoir un sens critique. S Exprimer, communiquer dans un langage scientifiquement approprié à l oral ou à l écrit, effectuer un bilan d expérience(s). C A R E Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 8 pages numérotées de 1 à 8, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres : 1- Deux propriétés des ondes (8 pts) - Les ondes sonores et l oreille. Et un peu de nomenclature (7 pts) 3- Les ultrasons dans le jus de canne ou exercice de spécialité (5 pts) NOM PRÉNOM : Classe : 1/9

2 EXERCICE 1 (exercice pour tous! tous pour lui!) : Deux propriétés des ondes Première propriété : l effet Doppler L'effet Doppler fut présenté par Christian Doppler en 184 pour les ondes sonores puis par Hippolyte Fizeau pour les ondes électromagnétiques en Il a aujourd'hui de multiples applications. Un radar de contrôle routier est un instrument servant à mesurer la vitesse des véhicules circulant sur la voie publique à l'aide d'ondes radar. Le radar émet une onde continue qui est réfléchie par toute cible se trouvant dans la direction pointée. Par effet Doppler, cette onde réfléchie possède une fréquence légèrement différente de celle émise : plus grande fréquence pour les véhicules s'approchant du radar et plus petite pour ceux s'en éloignant. En mesurant la différence de fréquence entre l onde émise et celle réfléchie, on peut calculer la vitesse de la «cible». Mais les radars Doppler sont utilisés dans d'autres domaines En météorologie, le radar Doppler permet d'analyser la vitesse et le mouvement des perturbations et de fournir des prévisions de grêle, de pluies abondantes, de neige ou de tempêtes. En imagerie médicale, le radar Doppler permet d'étudier le mouvement des fluides biologiques. Une sonde émet des ondes ultrasonores et ce sont les globules rouges qui font office d'obstacles et les réfléchissent. L'analyse de la variation de la fréquence des ondes réfléchies reçues par cette même sonde permet ainsi de déterminer la vitesse du sang dans les vaisseaux. D'après le site : Cet exercice I propose d'étudier le principe de l'effet Doppler sonore. Pour simplifier cette approche, la réflexion de l'onde sur l'obstacle ne sera pas prise en compte. 1) Un véhicule muni d'une sirène est immobile. La sirène retentit et émet un son de fréquence f = 680 Hz. Le son émis à la date t = 0 se propage dans l'air à la vitesse c = 340 m.s -1 à partir de la source S. On note λ la longueur d'onde correspondante. La figure 1 ci-dessous représente le front d'onde à la date t = 4T. (T étant la période temporelle de l'onde sonore). Répondre par «VRAI» ou «FAUX» aux cinq affirmations suivantes en JUSTIFIANT son choix. /9

3 QUESTIONS C A R E 1.1) Une onde sonore est une onde transversale. 1.) Une onde mécanique se propage dans un milieu matériel avec transport de matière. 1.3) Un point M distant du point S d'une longueur égale à 51,0 m du milieu reproduit le mouvement de la source S avec un retard Δt =1,5 s. 1.4) Le front d'onde a parcouru d = 40,0 m à la date t = 3T. 1.5) Deux points situés à la distance d = 55,0 m l'un de l'autre dans la même direction de propagation vibrent en phase. ) Le véhicule se déplace maintenant à la vitesse v inférieure à c vers un observateur immobile. La figure ci-contre représente le front de l'onde sonore à la date t = 4 T. QUESTIONS C A R E.1) Le véhicule se déplace-t-il vers la droite ou vers la gauche? Justifier la réponse..) Pendant l'intervalle de temps T, le son parcourt la distance λ. Pendant ce temps, le véhicule parcourt la distance d = v. T. La longueur d'onde λ ' perçue par un observateur situé à droite de la source S a donc l'expression suivante : λ ' = λ v.t..1) Rappeler la relation générale liant la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence avec les unités du système international...) Montrer des relations précédentes que f = f. c (f étant la fréquence c v sonore perçue par l'observateur)...3) Le son perçu est-il plus grave ou plus aigu que le son d'origine? Justifier sans calcul numérique..3) Dans un deuxième temps, le véhicule s'éloigne de l'observateur à la même vitesse v..3.1) Donner, sans démonstration, les expressions de la nouvelle longueur d'onde λ" et de la nouvelle fréquence f " perçues par l'observateur en fonction de f, v et c..3.) Le son perçu est-il plus grave ou plus aigu que le son d'origine? Justifier..4) Exprimer, puis calculer en km.h -1, en arrondissant les valeurs à des nombres entiers, la vitesse du véhicule qui se rapproche de l'observateur sachant que ce dernier perçoit alors un son de fréquence f ' = 716 Hz. 3/9

4 Seconde propriété : le phénomène d interférence Le document ci-dessous montre une figure d'interférences à l aide de fentes d'young placées devant un faisceau laser séparées par une distance b = (0,500 ± 0,005) mm. La figure est observée sur un écran à une distance D = 1,15 m du plan des fentes, cette distance étant mesurée avec une incertitude ΔD ou U(D) = 1 cm (U(D) signifiant incertitude absolue de D). Pour déterminer la longueur d onde du laser, on mesure la distance séparant deux franges brillantes consécutives, appelée «interfrange» et notée i. On obtient un interfrange i = 1,36 mm avec une incertitude Δi ou U(i) = 1 mm. 100 QUESTIONS C A R E 1) Par une analyse dimensionnelle (analyse des unités), déterminer l expression qui permet de calculer l interfrange i, parmi les propositions suivantes :.D. b i= λ. D ; i = ; i = b D ) Déduire des résultats expérimentaux la longueur d'onde λ, du laser. 3) L'incertitude sur la mesure de λ peut être évaluée par : U( b) U( i) U( D) U( ). b i D Calculer l'incertitude U(λ) (ou Δ λ ) sur la longueur d'onde du laser. 4) En déduire un encadrement de la valeur expérimentale de λ. 5) Cet encadrement est-il compatible avec la valeur 589,3 nm fournie par le constructeur du laser? 4/9

5 EXERCICE (exercice pour tous! et tous pour lui! ) : Les ondes sonores et l oreille. Et un peu de nomenclature (7 pts) PARTIE 1 : LES ONDES SONORES ET L OREILLE Document 1 : Le diagramme de Fletcher indique les courbes isosoniques qui correspondent aux niveaux d intensité sonore perçue par l oreille. Sur la figure 1 ci-dessous, on a le diagramme pour une personne «normale». Sur la figure ci-dessous, on indique les limites de la parole et de la conversation seuil d audibilité Figure 1 Fréquences Figure Document : 5/9

6 Document 3 : Données Intensité sonore de référence : I 0 = 1, W.m - Le niveau d intensité sonore L d une source s exprime par L = 10 log ( I I 0 ) avec I, l intensité sonore de la source, en watt par mètre carré. L intensité sonore I à une distance d d une source émettant dans toutes les directions est liée à la puissance P de cette source par : I = P S avec S, la surface de la sphère de rayon d : S = 4. d QUESTIONS C A R E 1. Quelles sont les deux caractéristiques des ondes sonores qui découlent des observations du document 1?. Sensibilité de l oreille humaine. En utilisant les documents :.1. Que représente une courbe isosonique?.. Un son de fréquence 40 Hz et de niveau sonore 40 db peut-il être entendu par une oreille humaine?.3. Délimiter la zone de confort d écoute d une conversation entre deux individus?.4. Pour quelles fréquences la sensibilité de l oreille humaine est-elle la plus grande? Justifier la réponse..5. On considère un son de fréquence 500 Hz et de niveau sonore 40 db. Quel est le niveau sonore de fréquence 100 Hz donnant la même sensibilité auditive?.6. À la télévision, les publicités nous paraissent souvent plus sonores que les films. Le niveau d intensité sonore est pourtant réglementé. Certaines publicités jouent sur la sensibilité de l oreille afin de paraître plus sonores, tout en respectant les normes en décibels. Expliquer comment une publicité peut paraître plus sonore tout en respectant la législation? 3. Nuisance sonore. Une usine bruyante est assimilée à une source sonore ponctuelle émettant des ondes sonores sphériques, de fréquence proche de 500 Hz et de niveau sonore L = 130 db. L émission se fait sans atténuation et de façon identique dans toutes les directions de l espace. Une habitation est située à une distance d = 00 m de cette usine. (Voir document ) 3.1. La puissance émise par la source sonore est P = 10 W. Quel est le niveau sonore L (en db) à proximité directe de l habitation? 3.. Est-ce tolérable? Soyez critique À quelle distance théorique de l usine le son n est-il plus perçu (dans ce cas I = I 0 )? On suppose qu il n y a pas d amortissement du son lors de la propagation L affirmation du cycliste est-elle juste? 6/9

7 PARTIE : ET UN PEU DE NOMENCLATURE Compléter le tableau ET entourer le groupe caractéristique dans la formule semi-développée: Formule semi-développée Formule topologique Nom C A R 1. CH 3 -CH -CH OH acide 3- méthylpentanoïque 6. 7.,-diméthylbutane 8. -éthyl-3-méthylhexanal /9

8 EXERCICE 3 : (Attention! Pour les non-spécialistes seulement!) Les ultrasons dans le jus de canne. En vous appuyant sur le document 1, la figure et le graphique 3, rédiger un texte décrivant un dispositif de mesure du taux de sucre du jus de canne et expliquer le principe de cette mesure. Votre texte n excédera pas 0 lignes et pourra comporter un schéma explicatif. Document 1 : Les ultrasons font partie des outils de contrôle non destructif (CND). Des échographies médicales à la vérification de pièces métalliques, en passant par la mesure de vitesse d un écoulement dans un tuyau, le principe de leur utilisation se ramène toujours à une mesure de célérité du son et à un lien entre la valeur obtenue et les caractéristiques du milieu. Ainsi la production de sucre de canne utilise les ultrasons pour déterminer à quel moment récolter les cannes. En effet, le jus de canne a un taux de sucre variable dans le temps et la célérité du son dans ce liquide dépend de cette concentration en sucre. La mesure de la célérité du son renseigne donc sur le taux de sucre des cannes, permettant ainsi d optimiser la récolte. Champ de canne à sucre Figure : Dispositif expérimental permettant la mesure de la célérité du son dans l eau. Graphique 3 : v (u ltrasons ) = f(c) vitesse des ultrasons v (m.s -1 ) 8/9

9 FICHE EVALUATION PROF NOM ELEVE : Exercice 1 C A R E 1.1) 1.) 1.3) 1.4) 1.5).1)..1)..)..3).3).3.1).3.).4) 1) ) 3) 4) L'incer 5) En Cet Exercice C A R E Exercice 3 (non spé) Niveaux de maîtrise Indicateurs C A R E Mobiliser ses connaissances : connaître le principe de la mesure d une vitesse avec les ultrasons. Rechercher, extraire et organiser les informations essentielles en lien avec la situation : proposer un protocole et éventuellement des schémas pour réaliser la mesure de la vitesse des ultrasons d après la figure. Exercice nomenclature C A R Organiser les informations : la célérité des ultrasons dans le jus de canne dépend de sa concentration en sucre Identifier les grandeurs : mesure de t et de d pour calculer v. Réponse à la question : On détermine la concentration en sucre dans le jus de canne grâce au graphique. Rédiger un paragraphe argumenté répondant finalement à la question posée : pas de paraphrase des documents, les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé.d est adapté, rigoureux et scientifique. Le nombre de lignes est respecté. b. b D Notation et commentaires C A R E Nombre de compétences validées Sur un total de Note et appréciations 9/9