Titre SEANCE «Dis! Tu m entends?» TP COURS Expérimenter les lois de la réflexion et mettre en évidence le phénomène d absorption.

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1 FICHE 1 PRÉSENTATION Titre SEANCE «Dis! Tu m entends?» Type d'activité Objectifs de l activité Références par rapport au programme TP COURS Expérimenter les lois de la réflexion et mettre en évidence le phénomène d absorption. Cette activité illustre le thème de «L HABITAT» et le sous thème «Confort acoustique» en classe de Première STI-2D Notions et contenus Compétences attendues Transmission, absorption, réflexion. Mettre en évidence expérimentalement les phénomènes de réflexion, de transmission ou d absorption d un son ou d un ultrason pour différents matériaux. Conditions de mise en œuvre Pré requis : Utiliser un oscilloscope et interpréter un oscillogramme Durée : 1h30 Contraintes matérielles : Salle de travaux pratiques Remarques Auteur Conception de la leçon : Camille CONTRAIRE Rédaction de ce document : Camille CONTRAIRE Académie de LYON Auteur : C. CONTRAIRE 1/17 Académie de LYON

2 FICHE 2 LISTE DU MATÉRIEL SÉANCE «DIS! TU M ENTENDS?» Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse du professeur. Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse des élèves. un émetteur ultrasonore et sa commande (intégrée, GBF, ) un récepteur ultrasonore, une plaque d acier, de polystyrène, de tissu tendu un goniomètre ou/et à minima un rapporteur et une grande règle un oscilloscope ou une carte d acquisition Auteur : C. CONTRAIRE 2/17 Académie de LYON

3 FICHE 3 FICHE POUR LE PROFESSEUR SÉANCE «DIS! TU M ENTENDS?» Thème : Confort acoustique dans l habitat Situation problème Un groupe de jeunes, souvent stationné devant le porche de sortie, est douloureusement indisposé par un sifflement strident. Suspectant que le gérant de l immeuble ait mis en place un système «anti-jeune» (voir séance 1), ils inspectent le hall de fond en comble sans trouver trace de l émetteur. Pouvez-vous trouver une réponse à leur perplexité en expérimentant vos hypothèses? Réflexion individuelle (5min) Réflexion par groupe de 4 (10 min) Mise en commun devant la classe des hypothèses et des expérimentations de validation envisagées (15 min) Expérimentations (45 min) Synthèse (15 min) Exercice d application (30 min à la maison) Aide si besoin : lois de Descartes pour l optique vues en classe de seconde. Pistes attendues : Directivité du son rayon sonore Transmission à travers les cloisons Réflexion sur les cloisons Auteur : C. CONTRAIRE 3/17 Académie de LYON

4 Expérimentations envisageables Chaque binôme pourra ne faire qu une seule des trois expériences pourvu que tous ne fassent pas la même afin de pouvoir mettre en commun les résultats. Dans toutes les expérimentations qui suivent, on veillera à surélever suffisamment les émetteurs et récepteurs ultrasonores afin de minimiser l influence parasite des réflexions sur le plan de la table de manipulation. On prendra des plaques assez grandes pour limiter l influence de la diffraction. Exemples de réalisation : Solution économique à réaliser au laboratoire Émetteur et récepteur montés sur tige filetée et domino électrique. On placera en parallèle sur le récepteur une résistance de 1 κω et un condensateur de 1 nf. Auteur : C. CONTRAIRE 4/17 Académie de LYON

5 Installation à moindre coût, à l aide de potences et de pinces, mais difficile à mettre en œuvre par les élèves Proposition de maquette à dupliquer en X exemplaires. Deux tiges filetées permettant de placer les plaques de matériaux à tester Élastique plaquant l émetteur et le récepteur sur le rebord du rapporteur cartonné et permettant de faire une fenêtre de lecture de l angle. Plaques amovibles Auteur : C. CONTRAIRE 5/17 Académie de LYON

6 Réglage oscilloscope Après avoir vérifié que l onde sonore est sinusoïdale de fréquence 40 khz, la base de temps sera exceptionnellement choisie pour ne pas dilater la période afin de se concentrer sur l amplitude maximale Auteur : C. CONTRAIRE 6/17 Académie de LYON

7 Directivité du son : Introduction : le but de la manipulation est de montrer l effet directif des ultrasons et de définir la notion de «rayon sonore». Principe Exemple de réalisation Résultats expérimentaux θ (en ) Tension maximale (en mv) Amplitude en millivolts Échelles : 10 par cm 20 mv par cm Angle en degré Conclusion : Les ultrasons sont ici assez directifs. Par analogie avec les ondes électromagnétiques, (la lumière, ), on peut parler de rayon sonore. Auteur : C. CONTRAIRE 7/17 Académie de LYON

8 Transmission Introduction : le but de la manipulation est de mettre en évidence la capacité pour certains matériaux à se laisser traverser par les ultrasons. Principe Exemple de réalisation Émetteur d ultra-sons Récepteur d ultra-sons Obstacle Résultats expérimentaux Plaque Tension maximale (en mv) air 80 feuille papier sopalain 30 sac plastique fin 25 acier 10 plexyglass 10 Inluence épaisseur une épaisseur mouchoir jetable 40 Deux épaisseurs mouchoir jetable 25 Polystyrène 1,5 cm 20 Polystyrène 2 cm 10 Conclusion : Certains matériaux laissent passer plus ou moins bien les ultra-sons certains étant même totalement opaques aux ondes sonores. Auteur : C. CONTRAIRE 8/17 Académie de LYON

9 Réflexion Introduction : le but de la manipulation est de mettre en évidence les propriétés de réflexion des ultrasons sur différents types de matériaux Principe Plaque i r Récepteur Exemple de réalisation Normale à la plaque Plaque entre l émetteur et le récepteur permettant d améliorer la directivité de l émetteur en privilégiant les ondes se propageant dans l axe. L espacement doit être suffisamment faible pour accentuer la directivité, mais pas trop afin d éviter le phénomène de diffraction. 1 à 2 cm semble un bon compromis. Les matériaux souples pourront être collés sur des tubes plastiques qui viennent s insérer sur deux grandes tiges filetées. Résultats expérimentaux Plaque d'acier i (en ) r (en ) Tension maximale (en mv) Plaque de polystyrène i (en ) r (en ) Tension maximale (en mv) Plaque de sac plastique i (en ) r (en ) Tension maximale (en mv) Conclusion : Les ondes sonores possèdent les mêmes lois pour la réflexion que les ondes électromagnétiques, à savoir que l angle de réflexion est égal à l angle d incidence. Certains matériaux se comportent comme des miroirs acoustiques. r = =ii Auteur : C. CONTRAIRE 9/17 Académie de LYON

10 Absorption Introduction : le but de la manipulation est de mettre en évidence les propriétés de certains matériaux d absorber les ultrasons. Principe Exemple de réalisation Plaque i r Récepteur Normale à la plaque Résultats expérimentaux Réflexion à 45 Plaque Tension maximale (en mv) sac plastique fin 20 une épaisseur mouchoir jetable 30 feuille papier sopalain 40 acier 60 Inluence épaisseur Polystyrène 1,5 cm 40 Polystyrène 2 cm 30 Conclusion : Certains matériaux réfléchissent plus ou moins bien les ultra-sons certains absorbant même totalement les ondes sonores. En croisant les résultats avec ceux sur la transmission, on constate que lorsque une onde sonore rencontre un changement de milieu de propagation, une partie de l onde est réfléchie, une autre partie traverse le matériau (phénomène analogue à la réfraction lumineuse) voire est absorbée par le matériau. Les fractions d énergie en jeu dépendent de l angle d incidence et de l épaisseur du matériau. Le programme de STIDD ne le prévoit pas mais une expérience complémentaire sur la réfraction serait possible. Conclusion générale : ne pas confondre absorption et transmission. Le polystyrène ne transmet pas et absorbe alors que le tissu absorbe peu mais transmet et de fait n est pas réflecteur. Auteur : C. CONTRAIRE 10/17 Académie de LYON

11 Application Métropolitain de Paris Certains lieux ont des propriétés acoustiques très particulières. De section elliptique, recouverte de céramique blanche réfléchissante, la voûte du métro de Paris permet à une personne située sur un quai (l'un des foyers de l'ellipse) de communiquer sans difficulté avec une personne placée en face d'elle sur l'autre quai (le deuxième foyer de l'ellipse). Un simple chuchotement suffit et ce même en présence d une rame entre les deux quais. Le phénomène tient à la géométrie particulière des lieux et aux lois de la réflexion pour les ondes sonores. En effet, la perpendiculaire à la tangente en un point donné de l'ellipse est toujours (c'est une propriété mathématique des ellipses) la bissectrice de l'angle FMF'. Tous les rayons sonores arrivant sur la voûte du métro et partant de F arrivent donc en F' et réciproquement. Des constructions de ce type (prévues pour obtenir un effet d'"image sonore") existent depuis longtemps. Ainsi, à la Chaise-Dieu, en Auvergne, un confessionnal pour lépreux (que l'on peut toujours visiter de nos jours) était conçu de façon à ce que le malade, chuchotant dans un angle de la pièce, puisse entendre parfaitement le prêtre situé dans l'angle opposé, sans que personne d'autre dans la salle ne puisse les entendre... Questions On se propose de tracer un profil particulier de station de métro et, en appliquant les lois de la réflexion, d y construire le trajet des rayons sonores émis par la personne située sur l un des quais. Construction du profil de la voute 2 On considère les fonctions l 1 = h et 2 = h 2 l. Compléter le tableau suivant : hauteur h l1 = f( h) l =f( ) largeur largeur h Sur le document qui suit, tracer dans le repère l 1 = f ( h) et l 2 = f ( h) les deux graphes en ayant astucieusement remarqué la symétrie. Auteur : C. CONTRAIRE 11/17 Académie de LYON

12 Auteur : C. CONTRAIRE 12/17 Académie de LYON

13 Construction de la normale On considère les trois rayons sonores, émis par le personnage de droite, qui vont se réfléchir respectivement aux points d abscisses h= 1 ; 2 et 3. Pour le point d abscisse 1, tracer, le segment de droite qui relie celui d abscisse 0 à celui d abscisse 2. On obtient ainsi une parallèle à la tangente au point étudié. Tracer une perpendiculaire à ce segment qui passera par le point étudié. On à ainsi construit la normale à la voute au point considéré. Renouveler la construction pour les deux autres points. Construction des rayons sonore On considère les trois rayons sonores, émis par le personnage de droite, qui vont se réfléchir respectivement aux points d abscisses h= 1 ; 2 et 3. Construire à présent en chaque point le rayon réfléchit en appliquant la loi de la réflexion. S inspirer alors du travail précédent, pour construire la suite du trajet de ces rayons compte tenu de la seconde réflexion qu ils subissent sur «le mur» d en face. Conclusion Quelle constatation faites-vous? Les rayons convergent tous au même point correspondant à la position du deuxième personnage sur le quai d en face. Expliquer en quelques mots pourquoi la rame de métro ne gène pas et pourquoi un simple chuchotement suffit pour être entendu sur l autre quai. Par réflexion le son passe par-dessus la rame de métro et comme tous les rayons convergent sur le destinataire du message, il n y a pas de perte et un simple chuchotement suffit à se faire entendre, comme si les deux personnages étaient l un à coté de l autre. En fonction du niveau des élèves ou du temps que l on souhaite y consacrer (par exemple si le travail est fait en classe), on pourra avec profit utiliser les pré-constructions suivantes : Auteur : C. CONTRAIRE 13/17 Académie de LYON

17 Bibliographie et crédit photo. Site journal 20 minutes / /article_cite.jpg&imgrefurl= uggzo_jbqkklmtnpbvolncm52i=&h=380&w=590&sz=31&hl=fr&start=80&zoom=1&um =1&itbs=1&tbnid=KFX7UeXcjb66ZM:&tbnh=87&tbnw=135&prev=/images%3F q%3dphoto%2bde%2bhall%2bd%2527immeuble%26start%3d60%26um%3d1 %26hl%3Dfr%26sa%3DN%26rlz%3D1R2SUNC_frFR402%26ndsp%3D20%26tb s%3disch:1&ei=lb5htbhecoovov-4sb0j photo hall Eduscol ENS Lyon illustration et bibliographie Camille CONTRAIRE photos métro et montages Nathan technique Collection Niard «Physique et électricité» Bibliographie Auteur : C. CONTRAIRE 17/17 Académie de LYON