Exercice 1 : Donnée : Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 x 10 8 m.s -1 ; 3.2. Déterminer la longueur d'onde des micro-ondes du four.

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1 Exercice 1 : Frédéric réchauffe l'eau de son thé à l'aide de son four à micro-ondes. Lorsque les micro-ondes atteignent les molécules d'eau présentes dans les aliments, celles-ci se mettent à osciller 2,45 x 10 9 fois par seconde. La mise en mouvement des molécules d'eau produit la chaleur nécessaire pour réchauffer les aliments. Donnée : Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 x 10 8 m.s -1 ; 3.2. Déterminer la longueur d'onde des micro-ondes du four. Exercice 2 : La tête de lecture d un lecteur de CD est constituée d une diode laser émettant une radiation de longueur d onde dans le vide λ = 780 nm et d une photodiode détectant la lumière réfléchie par la surface métallisée du CD. Donnée : Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 x 10 8 m.s -1 ; c L indice d un milieu transparent est défini par la relation n, v étant la célérité de la lumière dans le milieu transparent. v 2.2. Calculer la fréquence de la radiation monochromatique L indice du polycarbonate (couche de matière plastique transparente du CD) est n = 1,55. Calculer la célérité de l onde lumineuse dans le CD En déduire la longueur d onde λ de la lumière dans le polycarbonate, sachant que la fréquence ne dépend pas du milieu traversé. Exercice 3 : 2.1. Deux capteurs, un émetteur et un récepteur d ultrasons, sont situés de part et d autre d un tronc d épicéa de diamètre D = 60 cm. La durée mesurée entre l émission et la réception des ondes ultrasonores vaut t = 3, s. Le résultat de la mesure effectuée permet-il de conclure que l arbre est sain? A. COURCELLE Page 1 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

2 Exercice 4 : Exercice 5 : Une simulation des signaux émis (E) et reçus (R) par un radar météorologique est présentée sur la figure 4. L'amplitude du signal reçu est proportionnelle à l intensité des précipitations et sa durée à l épaisseur de la zone de précipitations À quelle distance du radar se trouve le début de la zone de précipitations? A. COURCELLE Page 2 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

3 Exercice 6 : Données : Célérité de la lumière dans le vide.c = 3, m.s -1 Altitude moyenne des satellites GPS h = 2, km Un satellite GPS envoie très régulièrement un signal électromagnétique indiquant l heure de l émission du signal de manière très précise, ainsi que des informations sur la position du satellite. Le récepteur n a plus qu à comparer l heure de réception à celle de l émission pour calculer le temps de parcours du signal et en déduire la distance le séparant du satellite Justifier par le calcul la phrase suivante : «Pour bénéficier d une précision de 10 m dans la direction de propagation du signal électromagnétique envoyé par un satellite GPS, le récepteur GPS doit mesurer la durée de trajet de ce signal avec une précision d environ 30 ns.» 3.2. Quelle est la durée de parcours du signal électromagnétique? En déduire la précision relative sur la mesure de cette durée. Exercice 7 : Donnée : célérité des ondes électromagnétiques dans l ionosphère : c = 2, m.s -1 ; Principe de la mesure altimétrique Un radar altimètre embarqué à bord d'un satellite émet un signal à très haute fréquence à la verticale de celui-ci en direction du sol et reçoit en retour l'écho réfléchi par la surface de la mer. L'analyse de l'écho permet d'extraire une mesure très précise de la durée de trajet aller-retour du signal entre le satellite et la surface de la mer [ ]. Toutefois les ondes électromagnétiques peuvent être ralenties pendant leur traversée dans l'atmosphère, cet effet étant lié au taux d'humidité et au taux d'ionisation de l air. d après Les différentes bandes de fréquences utilisées en altimétrie et leur sensibilité aux perturbations atmosphériques La plupart des radars altimètres utilisent plusieurs fréquences différentes. Le choix de l'une d'entre elles dépend de la réglementation, des objectifs de la mission et des contraintes techniques. Chaque bande de fréquence présente ses avantages et ses inconvénients. L'utilisation de deux fréquences simultanées dans deux bandes de fréquences différentes est un moyen d'estimer le contenu en électrons de l'ionosphère1 et ainsi de corriger la distance altimétrique. 1 ionosphère : partie de l'atmosphère où les molécules sont ionisées par le rayonnement ultraviolet solaire. L'ionosphère terrestre est comprise entre environ 80 et 500 km d'altitude. A. COURCELLE Page 3 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

4 La mer Méditerranée a une superficie de km2, sa profondeur moyenne est de m et l'abysse la plus profonde est de m. Le 1er août 2013, le satellite altimétrique Saral, dont l altitude par rapport à la surface de référence est m, mesure un décalage temporel t de 5,40296 ms entre l émission et la réception de l onde dans l ionosphère Pourquoi les radars altimètres utilisent-ils les micro-ondes? 2.2. Pourquoi Saral n utilise-t-il qu une seule bande de fréquence contrairement aux autres satellites altimétriques? 2.3. Déterminer la valeur de la hauteur SSH qui repère le niveau de la mer Méditerranée à l endroit de la mesure prise par le satellite Saral le 1er août Exercice 8 : «Sans les mains! C'est de cette manière que vous pourrez, peut-être très bientôt, conduire votre prochaine voiture...». Cette phrase évoque ici la voiture autonome dont la commercialisation sera lancée aux alentours de Cette voiture «se conduira seule», car elle aura une perception globale de son environnement grâce à la contribution de plusieurs capteurs : télémètre laser à balayage (LIDAR*), caméra, capteurs à infrarouge, radars, capteurs laser, capteurs à ultrasons, antenne GPS... *LlDAR = Light Detection And Ranging Un odomètre mesure la distance parcourue par la voiture. Principe de fonctionnement des capteurs Les radars, capteurs ultrasonores et lasers sont tous constitués d'un émetteur qui génère une onde pouvant se réfléchir sur un obstacle et d'un capteur qui détecte l'onde réfléchie. Le capteur permet de mesurer la durée entre l'émission et la réception de l'onde après réflexion sur l'obstacle. Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons tandis que le laser d'un LIDAR émet des impulsions allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. Extrait d'une notice de «radar de recul» (aide au stationnement) - En marche arrière le «radar de recul» se met en fonction automatiquement. - L'afficheur indique la distance de l'obstacle détecté pour des valeurs comprises entre 0,3 m et 2 m. - L'afficheur dispose d'un buzzer intégré qui émet un signal sonore dont la fréquence évolue en fonction de la distance à l'obstacle. Extrait d'un document d'un constructeur automobile : système autonome de régulation de vitesse ACC. Le système ACC traite les informations d'un capteur radar afin d'adapter la vitesse de la voiture en fonction des véhicules qui la précèdent. Les caractéristiques du capteur radar d'un système ACC sont données ci-dessous. Données : célérité du son dans l'air à 20 C : v = 343 m.s 1 ; célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air : c = 3,0x10 8 m.s Préciser pour chaque capteur (radar, capteurs à ultrasons, capteur LIDAR) le type d'ondes utilisées (mécanique, électromagnétique) À l'aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d'ondes radio utilisées par le capteur radar de l'acc. Justifier votre réponse à l'aide d'un calcul. A. COURCELLE Page 4 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

5 Le «radar de recul» est composé de quatre capteurs ultrasonores identiques. Chacun de ces capteurs a une portée minimale d min = 0,30 m d'après la notice. Cela signifie qu'un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à d min ne sera pas détecté. Le capteur est constitué d'un matériau piézo-électrique utilisé à la fois pour fonctionner en mode émetteur ou en mode récepteur. Il ne peut fonctionner correctement en récepteur que lorsqu'il a fini de fonctionner en émetteur. Pour cette raison, le capteur génère des salves ultrasonores de durée t 1 = 1,7 ms avec une périodicité t 2 = 12 ms. La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement Légender cette figure en indiquant les durées t 1 et t Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée minimale d min et sa portée maximale d max en précisant leurs valeurs Vérifier que pour la distance d min entre le capteur et l'obstacle, la durée entre l'émission et la réception est égale à t Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à t 1, pourquoi le capteur ne peut-il pas détecter l'obstacle de manière satisfaisante? Justifier la réponse Quelle caractéristique du signal de l'émission doit-on alors modifier pour que le capteur puisse détecter un obstacle situé à une distance inférieure à d min? Justifier votre réponse Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis. Exercice 9 : On trouve dans le commerce des appareils de nettoyage utilisant les ultrasons. Le document 1 décrit la première page de la notice d un exemple d appareil de ce type. Données : célérité des ultrasons dans l air : v = 340 m.s 1 à 25 C. célérité des ultrasons dans l eau : v = 1500 m.s 1. On souhaite étudier les ultrasons émis par l appareil décrit dans le document 1. Pour cela, on isole l émetteur E à ultrasons de cet appareil et on visualise le signal émis à l aide d un capteur relié à la voie 1 d un oscilloscope. Les mesures sont faites dans l air à la température de 20 C. On obtient le signal ue suivant : A. COURCELLE Page 5 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

6 1.1. Déterminer la période T du signal représenté sur la figure 1. Expliquer la méthode En déduire la fréquence f des ultrasons. Comparer avec la valeur de référence On souhaite déterminer la longueur d onde des ultrasons. Pour cela, on visualise à la fois le signal émis par l appareil et appliqué sur la voie 1 d un oscilloscope et le signal ur reçu par un récepteur R à ultrasons connecté sur la voie 2 de cet oscilloscope. On part d une situation où les signaux délivrés par l émetteur E et par le récepteur R placé en face sont en phase. On s aperçoit que lorsque l on éloigne le récepteur R tout en restant en face de l émetteur fixe E, la courbe qui correspond au récepteur se décale vers la droite. Les signaux obtenus sont représentés sur la figure 2 lorsque les courbes reviennent pour la première fois en phase. On détermine la distance dont on a déplacé le récepteur R lorsque l on obtient la figure 2 page suivante, et on mesure 8 mm Définir la valeur de la longueur d onde Déterminer la longueur d onde à partir de l expérience précédente. Que peut-on faire pour augmenter la précision de la mesure? Calculer la célérité v des ondes ultrasonores dans l air. Expliquer un écart éventuel avec la valeur attendue En utilisation normale de l appareil, la longueur d'onde des ultrasons est différente de la valeur obtenue à la question et vaut 4 cm. Expliquer cette différence. Exercice 10 : La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs! Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2. A. COURCELLE Page 6 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

7 1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23 Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l onde sinusoïdale générée par le vibreur Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s est formée avec une longueur d onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v 1 de cette houle. En déduire sa période T La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v 2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d onde λ 2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 4? Exercice 11 : Le cerveau a la capacité de reconstituer certaines informations manquantes pour construire une perception auditive interprétable. C est le cas pour un son musical dont on perçoit la hauteur bien que sa fréquence fondamentale ait été supprimée. Un son joué par un piano est numérisé puis transmis. Son spectre après réception est donné ci-dessous. La composante spectrale correspondant à la fréquence fondamentale a été supprimée au cours d un traitement spécifique du signal. Déterminer la hauteur du son joué par le piano. Expliquer votre raisonnement. A. COURCELLE Page 7 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

8 Exercice 12 : Trois jeunes musiciens amateurs (un guitariste, un pianiste et un flûtiste) projettent de donner un concert devant leurs amis dans le sous-sol d une maison. Avant le concert, les musiciens doivent «accorder» leurs instruments. Pour cela, ils utilisent un diapason qui émet la note «La3». Chacun joue cette note sur son instrument, la compare à celle émise par le diapason et procède aux réglages permettant d obtenir une note de même hauteur. En utilisant les enregistrements des différents sons produits et leurs spectres, répondre aux questions suivantes : 1.1. Quelle est la fréquence f de vibration du son émis par le diapason? 1.2. Les trois musiciens jouent-ils une note de même hauteur? Justifier. A. COURCELLE Page 8 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck

9 A. COURCELLE Page 9 sur 9 Lycée St Exupéry de Fameck