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Laurent Labranche
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DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES TLE S La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l orthographe et à l expression écrite. RENDRE LE SUJET EN ENTIER!

1 DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES TLE S La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l orthographe et à l expression écrite. RENDRE LE SUJET EN ENTIER! HISTOIRE D ONDES Compétences spécifiques Connaître les manifestations des ondes mécaniques dans la matière Comprendre l émission et la détection d une onde mécanique Etudier le phénomène de propagation d une onde Compétences transversales Mobiliser les connaissances Présenter des résultats d expériences, appliquer les méthodes : réaliser un tableau, un graphique, réaliser des calculs, étude statistique, écriture scientifique. Valider : Exploiter des documents, des résultats d expériences, raisonner, résoudre un problème, avoir un sens critique. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié à l oral ou à l écrit, effectuer un bilan d expérience(s) C A R E PARTIE A : ETUDE D ONDE Arrivant dans un port, le bateau jette l ancre. Cela entraîne la formation d ondes quasi-circulaires semblables aux ondes formées sur une cuve à ondes (voir photo ci-contre). 1. Généralité sur les ondes 1.1. Définir une onde mécanique. Donner une propriété Définir la notion de longueur d onde. Puis la notion de période temporelle La lumière est une onde progressive périodique mais elle n est pas mécanique. Quelle observation permet de montrer que la lumière n est pas une onde mécanique? 2. Cas de l onde à la surface de l eau 2.1. L onde ainsi formée peut-elle être qualifiée de longitudinale ou de transversale? Justifier la réponse. 1/7

2 Le schéma ci-dessous, à l échelle 1/100, représente la position du front de l onde (début de la déformation de l eau) à deux instants t 1 et t 2 tels que : t 2 t 1 = 3,0 s Associer à chaque position du front de l onde a et b l instant t 1 ou t 2 correspondant. Justifier Déterminer la célérité v de l onde. 3. On lève l ancre. On remonte l ancre et on la laisse s égoutter au-dessus de l eau avant de la monter sur le bateau. Au bout de quelques instants, les gouttes tombent périodiquement uniquement de la pointe de l ancre. Pendant une durée t = 30 s, il tombe environ n = 60 gouttes. Elles créent ainsi une onde progressive périodique circulaire autour du point de chute (voir document 2 en annexe) Déterminer la période T de l onde progressive périodique obtenue. En déduire sa fréquence f Sur le document 2 de l annexe, sont schématisées les crêtes de l onde générée à l échelle 1/ Déterminer la longueur d onde λ de l onde formée avec la plus grande précision possible (Expliciter clairement votre méthode, aidez-vous du schéma) En déduire la célérité v de l onde. 4. D autres ondes rôdent autour du bateau. Port de plaisance rime avec bruits de câbles sur les mâts et Soleil. Répondre par VRAI ou FAUX sans justification à toutes les propositions suivantes dans le tableau du document 3 de l annexe Le son est une onde : a mécanique b transversale c longitudinale 4.2. Une onde se propageant à la surface de l eau est une onde à : a une dimension b deux dimensions c trois dimensions 2/7

3 4.3. La vitesse des ondes sonores dans l air à 20 C est de 340 m.s 1. Les ondes sonores audibles par l oreille humaines sont caractérisées par : a des fréquences de 20 Hz à 20 khz b des longueurs d ondes de 2 mm à 2 m c des périodes de 50 μs à 50 ms. PARTIE B : MESURE DE CELERITE 1. Détermination de la célérité des ondes sonores dans l air Pour déterminer la célérité de l'onde sonore un élève aligne trois microphones M 1, M 2 et M 3 de telle manière que les distances M 1 M 2 et M 2 M 3 valent respectivement 2,00 m et 3,00 m (distance mesurée à l aide d une règle d enseignant à savoir une graduation par cm). Les signaux électriques correspondant aux sons reçus par les microphones sont enregistrés grâce à un ordinateur (Voir enregistrements ci-dessous). Il souffle dans une flûte devant le premier micro M 1, puis lance immédiatement l'enregistrement. 1.1 Faire un schéma annoté de l expérience en précisant les grandeurs utilisées par la suite. 1.2 Déterminer la célérité de l'onde avec la plus grande précision possible. 1.3 Quelles peuvent être les sources d incertitudes dans cette expérience? 1.4 Evaluer les incertitudes absolues Δt et Δd sur respectivement le temps et la distance. En déduire l incertitude sur la vitesse de l onde sonore dans l air. Commenter votre résultat. L incertitude d une mesure par lecture sur une échelle, pour un niveau de 2 graduations confiance de 95% est estimée à : Ulecture 12 L incertitude sur la vitesse est donnée par : 2 2 t d v v. t d 3/7

Un émetteur produit simultanément des salves d ondes ultrasonores dans un tube rempli d eau de mer et dans l air (voir figure 1).

4 2. Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l eau de mer La célérité des ultrasons dans l air v Air = 340 m.s -1 est plus faible que la célérité des ultrasons dans l eau de mer v Eau. Un émetteur produit simultanément des salves d ondes ultrasonores dans un tube rempli d eau de mer et dans l air (voir figure 1). À une distance d de l émetteur d ondes ultrasonores, sont placés deux récepteurs, l un dans l air et l autre dans l eau de mer. Le récepteur A est relié à l entrée A du système d acquisition d un ordinateur et le récepteur B à l entrée B. L acquisition commence lorsqu un signal est reçu sur l entrée B du système. 4/7

5 QUESTIONS C A R E 2.1. Pourquoi est-il nécessaire de déclencher l acquisition lorsqu un signal est reçu sur l entrée B? 2.2. Donner l expression de la vitesse v d une onde en fonction de d et de t (où t est la durée que mettent les ondes pour parcourir la distance d) En déduire l expression de t A en fonction de v Air et d (où t A est la durée que mettent les ondes pour parcourir la distance d dans l air) De même en déduire l expression t B en fonction de v Eau et d (où t B est la durée que mettent les ondes pour parcourir la distance d dans l eau) Donner l expression du retard Δt entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs en fonction de t A et t B, durées que mettent les ultrasons pour parcourir respectivement la distance d dans l air et dans l eau de mer Montrer que Δt peut prendre l expression suivante : t d. vair veau On considèrera cette expression juste pour la suite de l exercice On détermine Δt pour différentes distances d entre l émetteur et les récepteurs. On traite les données avec un tableur et on obtient le graphe Δt = f(d) ci-dessous Justifier l allure de la courbe obtenue Déterminer graphiquement le coefficient directeur de la droite Δt = f(d). En déduire la valeur de la célérité v Eau des ultrasons dans l eau de mer en prenant v Air = 340 m.s 1. 5/7

6 ANNEXE Document 2 Document 3 a b c /7

7 FICHE EVALUATION PROF. Nom élève : QUESTIONS PARTIE A C A R E QUESTIONS PARTIE B C A R E Nombre d étoiles Sur un total de NOTE COMMENTAIRES 7/7

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Caractéristiques des ondes Chapitre Activités 1 Ondes progressives à une dimension (p 38) A Analyse qualitative d une onde b Fin de la Début de la 1 L onde est progressive puisque la perturbation se déplace