Professeur : Mmes Lefevre, Majorel, Phalippou & Mrs Barrandon, Honnorat, Mondot Le 26/09/2016 Durée : 2H. DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES

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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. Chaque partie est indépendante! EXERCICE 1 : MESURE DE DISTANCE PAR ULTRASONS (11 points) Compétences : 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 PARTIE A : Un manque de rigueur Lors d une séance de TP, Arthur JASSUR et Nora TROFAS réalisent une série d expériences pour mesurer une distance d par ultrasons dans l air. Document 1 : Expériences réalisées Des salves d'ultrasons sont émises par l émetteur E et reçues par le récepteur R. Situation n 1 Situation n 2 Obstacle Situation n 3 Paroi avant Paroi arrière Document 2 : Oscillogrammes obtenus Avec d = d 2 d 1 Pour déterminer la distance d séparant E et R, on étudie à l'oscilloscope les oscillogrammes correspondant à E et à R. Oscillogramme n 1 Oscillogramme n 2 Oscillogramme n 3 1/7

2 Malheureusement, ils ont mélangé les résultats obtenus et ils ont oublié de préciser à quelle expérience appartient chaque oscillogramme. Quel manque de rigueur! Questions de cours : 1.1. Définir une onde mécanique. Donner une propriété Compléter le tableau en annexe 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? Question préliminaire : 2.1. Quelle est l information importante qui manque sur le document 2? 2.2. Après avoir formulé une hypothèse, associe chaque expérience à un oscillogramme en justifiant clairement la démarche. Toutes les initiatives du candidat seront valorisées. La démarche suivie nécessite d être correctement présentée. PARTIE B : Analyse d une expérience Compétences : Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de propagation (célérité) Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier qualitativement et quantitativement un phénomène de propagation d une onde Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection. Lors de ce même TP Arthur JASSUR et Nora TROFAS réalisent l expérience suivante pour mesurer la distance d par ultrasons dans l air : Ils disposent d un émetteur et d un récepteur à ultrasons ainsi qu un système d acquisition (un oscilloscope). L émetteur est relié à la Voie 1 de l oscilloscope et le récepteur est relié à la Voie 2. Document 1 : Expérience et oscillogramme obtenu Expérience réalisée Réglage de l oscilloscope 2/7

3 L oscillogramme obtenu Courbe 2 Début des salves Courbe 1 Document 2 : Vitesse du son dans l air Vitesse du son en fonction de la température v (m.s -1 ) ( C) Document 3 : Mesures et incertitudes L incertitude U X d une mesure X par lecture sur une échelle, pour un niveau de confiance de 95% est estimée à : 2 graduations U X. 12 3/7

4 L incertitude pour un cas d incertitudes composées est donnée par la formule suivante : Pour Y X Z ou Y X Z alors U Y Le résultat est donc Y U Y ou Y U Y Y Y U Y. U Z 2 2 U X Y X Z. Question préliminaire : 1. Donner une raison à l utilisation des ultrasons plutôt que des sons audibles? 2. A quoi correspondent les courbe 1 et 2? Justifier votre réponse. 3. Les enregistrements sont-ils périodiques? L émetteur est-il en «mode continu» ou en «mode salves». Justifier. 4. Quel bouton permet de régler l amplitude du signal? 5. Votre problème scientifique : Vous devez aider vos jeunes camarades à évaluer la valeur de la distance d de propagation de ces ondes mécaniques. Elaborer une stratégie rigoureuse et précise pour calculer cette distance et l écrire sous la forme d U d m. Toutes les initiatives du candidat seront valorisées. La démarche suivie nécessite d être correctement présentée. EXERCICE 2 : L ASTRONOMIE INVISIBLE (9 points) Compétences : Connaître des sources de rayonnement et leur utilisation Comprendre la détection d un rayonnement Décrire une onde périodique Connaitre et exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d onde et la célérité Les astronomes s intéressent beaucoup aux rayonnements électromagnétiques appartenant aux domaines non visibles. Justifions cet intérêt par quelques exemples. Document 1 : Observation astronomique dans l ultraviolet et l infrarouge de la galaxie M94 L espace entre les étoiles est rempli de gaz et de poussières. La densité de cette matière est extrêmement faible mais, à plusieurs centaines d années de lumière, il suffit de quelques molécules par cm 3 pour observer des nuages opaques à la lumière visible. Le rayonnement infrarouge IR, de longueur d onde plus grande que celle de la lumière visible, peut traverser cette matière parce qu il subit peu la diffusion 4/7

5 (absorption et réémission des rayonnements dans toutes les directions). Des étoiles, dont la lumière visible est cachée par ces nuages, apparaissent en observation dans l infrarouge. D autre part, les nuages de poussières, échauffés par le rayonnement des étoiles voisines, émettent eux-mêmes un rayonnement d origine thermique qui peuvent les rendre plus brillantes. Le rayonnement ultraviolet UV permet de révéler d autres aspects de l Univers. De jeunes étoiles très brillantes dans ce domaine apparaissent sur les clichés obtenus dans l UV, là où gaz et poussières sont en faible densité. Les photographies ci-dessous représentent la Galaxie M94 en lumière visible, infrarouge et ultraviolette à la même échelle 24 micron infrared 8 micron infrared 3,6 micron infrared Far & near ultraviolet Optical comparaison Document 2: VISIR (VLT Imager and Spectrometer in the InfraRed) VISIR est une caméra-spectromètre installée au foyer d un des télescopes du VLT («Very Large Telescope») situé dans le désert sec d'atacama au nord du Chili. Elle fournit des images de grande qualité dans la gamme de longueur d'ondes 10 à 20 µm où émettent principalement les poussières cosmiques. Ainsi la communauté scientifique se dote d'un outil précieux pour l'étude par exemple des formations d étoiles, de la chimie du milieu interstellaire Comme le rayonnement infrarouge est émis par tous les objets environnants, l ensemble de l instrument et les caméras ont dû être refroidis à des températures extrêmes proches de 250 C. Document 3 : La Loi de Wien D une façon générale, tous les corps chauffés émettent de l énergie sous forme d infrarouge, même s ils ne sont pas lumineux. Les physiciens ont établi une relation entre la température T en Kelvin (K) d une source chaude et la longueur d onde λ max (en m) à laquelle l intensité lumineuse est maximale : λ max T = 2, K.m. Rappel : L'échelle des températures Celsius est, par définition, la température absolue décalée en origine de 273 K : T(K)=273+T( C) 1. Analyse documentaire À l aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 10 lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante : 5/7

6 Sur les photographies du document 1, pourquoi la galaxie M 94 paraît moins étendue dans le domaine du visible que dans les domaines IR et UV? Des réponses aux questions suivantes sont attendues dans votre synthèse : -quel «objet» de l espace arrête une grande partie du rayonnement dans le visible? -quels «objets» non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine infra-rouge? -quels «objets» non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine ultra-violet? -Quel est l intérêt d exploiter les rayonnements électromagnétiques invisibles pour étudier l Univers. 2. Pourquoi refroidir les détecteurs sur Terre? 2.1. En vous appuyant sur le document 1., proposer une source de rayonnement infrarouge et une source de rayonnement ultraviolet. La fréquence f et la longueur d onde sont deux grandeurs vérifiant la relation c f où c est la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide Définir la notion de longueur d onde Á quel domaine particulier du spectre se situent les longueurs d'ondes utilisées par VISIR? Justifier clairement votre réponse Expliquer, en le justifiant avec des valeurs numériques, pourquoi il est nécessaire de refroidir les instruments d un télescope sur Terre. Toutes les initiatives du candidat seront valorisées. La démarche suivie nécessite d être correctement présentée. Données : Spectre électromagnétique UV RX R LIR : Infrarouge lointain UV : rayonnement ultraviolet MIR : Infrarouge moyen RX : rayonnement X PIR : Infrarouge proche R : rayonnement gamma La valeur de la célérité de la lumière dans le vide est égale à 3, m.s 1. ; 6/7

7 NOM : ANNEXE EXERCICE 1 : MESURE DE DISTANCE PAR ULTRASONS PARTIE A : Un manque de rigueur 1.2. : Rayer les mauvaises réponses. L onde ultrasonore est une onde : Mécanique Transversale Longitudinale Unidimensionnelle Bidimensionnelle Tridimensionnelle 7/7