TP : Ondes et séismes

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1 TP : Ondes et séismes Comment déterminer l épicentre d un séisme avec un sismomètre?... On dénombre chaque année dans le monde séismes de magnitude supérieure ou égale à 2 (soit presque par jour!), dont au Japon, 200 en Italie, mais seulement 20 en France métropolitaine. Vingt d entre eux (sur les ) ont une magnitude supérieure ou égale à 7, pouvant faire de nombreuses victimes s il s agit d une région peuplée. source : Jacques-Marie Bardintzeff (Volcanologue), 21/11/2011. A. Détection des ondes sismiques Le sismomètre permet de capter le mouvement du support sur lequel il se trouve, il permet de réaliser des enregistrements de ces mouvements appelés sismogrammes. doc. 1 Lycée de La Possession TS 1

2 A l aide de l animation le_sismometre.swf (source : portail.cea.fr/multimedia/pages/animations/climat-environnement/sismometre.aspx) répondre aux questions suivantes : 1.a. Qu est-ce qu une onde sismique? Citer deux types d ondes sismiques vues en 1ère en SVT. Une onde sismique est une onde mécanique progressive créée par la libération de l énergie emmagasinée par les plaques tectoniques rigides de la croûte terrestre. Les ondes sismiques se propagent dans le globe terrestre. Il existe plusieurs types d ondes sismiques, notamment les ondes P (ondes «primaires» qui sont des ondes de compression-dilatation) et les ondes S (ondes «secondaires» qui sont des ondes de cisaillement). 1.b. Qu appelle-t-on épicentre du séisme? L épicentre d un séisme est la projection verticale sur la surface du lieu où se produit la rupture (source des ondes) appelé hypocentre ou foyer. 2.a. Que capte le sismographe du document 1? Quel type de signal délivre-t-il? Le sismographe du document 1 enregistre les mouvements verticaux de vibration. Il délivre un signal mécanique qui permet de tracer sur un papier l amplitude des mouvements. 2.b. Même question avec le sismographe de l animation. Le sismographe de l animation enregistre les mouvements de vibration et délivre un signal électrique. 3.Expliquer comment le sismographe vu dans l animation permet de détecter des ondes. Le sismographe de l animation possède 2 parties, l une est solidaire du sol lors du mouvement, l autre reste fixe en raison de sa grande inertie (masse importante suspendue à un ressort). Le déplacement relatif de ces deux parties est mis à profit pour transformer le signal mécanique (mouvement) en signal électrique par l intermédiaire d un aimant et d une bobine (phénomène d induction électromagnétique), comme dans un microphone. B. Exploiter les sismogrammes pour déterminer l épicentre d un séisme Le but est de localiser de façon simplifiée l épicentre du séisme qui a eu lieu le 11 mai 2011 en Espagne. Lycée de La Possession TS 2

3 Affichage et recueil des données : Ouvrir le dossier «SEISME» sur le bureau. Lancer «SeisGram2K52». Charger les stations PAUF, LIMF et CORT qui ont enregistré le séisme. Afficher les sismogrammes correspondant à ces 3 stations. Dans la fenêtre contenant les trois sismogrammes : - synchroniser les tracés («Affichage», «Aligner a..», puis «Synchroniser») ; - verrouiller la synchronisation («Affichage», puis «Verrouiller Alignement») ; - effectuer un zoom en traçant avec la souris un rectangle sur la zone correspondant à l arrivée des ondes P ; Pour chaque enregistrement : - filtrer les ondes en fonction de leurs fréquences pour éliminer le bruit de fond («Filtrer» de 0,05 Hz à 2 Hz, puis «Appliquer») ; - pointer l arrivée des ondes P en cliquant sur «Pointer», puis en cliquant sur l enregistrement (un trait vertical apparait) et en cliquant sur «P» ; - relever alors la valeur TP qui s affiche. - Calculer la durée Δt = TP - T0. On donne l heure su séisme : T0 = 16h 47min 26s. Exploiter les sismogrammes : déterminer les distances à l épicentre 4. Décrire brièvement l allure des courbes obtenues en distinguant les différentes parties. Avant l arrivée des ondes P, on observe de faibles vibrations correspondant au bruit de fond qui est éliminé par filtrage. On voit ensuite l arrivée des ondes P les plus rapides mais de faible amplitude et enfin les ondes S, de grande amplitude. 5.a. Que représente la durée Δt = TP - T0? La durée Δt = TP - T0 représente la durée de propagation des ondes P jusqu à leur arrivée à la station, qui est approximativement la durée mise par les ondes P pour aller de l épicentre à la station. 5.b. Evaluer l incertitude sur la mesure de Δt. Le pointage des enregistrements ne permet pas d être très précis. L incertitude sur la durée est d environ 1s. Lycée de La Possession TS 3

4 Station CORT TP = 16h49mn44s Station PAUF TP = 16h48mn52s Station LIMF TP = 16h49mn25s 6. En prenant pour les ondes P une vitesse moyenne de 7,5 km.s -1, déterminer la distance séparant l épicentre du séisme de chaque station (présenter vos résultats dans un tableau). Lycée de La Possession TS 4

5 Soir VP = 7,5 km.s -1, la vitesse moyenne des ondes P et D la distance entre l épicentre et la station considérée. D = VP. (TP - T0), d où les résultats suivant : Stations TP T0 D PAUF 86 s 645 km CORT 138 s 1035 km LIMF 120 s 945 km Déterminer la position de l épicentre sur une carte : Cliquer sur l icône «educarte» dans le dossier «SEISME». Charger le fichier «mondecarte». Changer l échelle de la carte qui apparait dans le navigateur afin de visualiser les trois stations et toute l Espagne. A l aide de la boîte à outils en bas de la carte, réaliser les constructions géométriques sur la carte permettant de déterminer l épicentre du séisme. LIMF 945 km 940km Placer un point correspondant à l épicentre du séisme : Lycée de La Possession TS 5

6 Latitude = 37,65 Longitude = - 1,76 7.a. Mesurer la distance entre la position réelle et la position déterminée graphiquement. Identifier les sources d erreur possibles expliquant l écart entre la position trouvée et la position réelle. Les différences sur ces distances peuvent être expliquées par les sources d erreurs suivantes : L incertitude sur la détermination de l arrivée des ondes P (TP déterminée à 1s près ce qui représente 7,5 km d incertitude sur la vitesse) ; La vitesse des ondes P considérée est une vitesse moyenne, en effet elle varie en fonction du milieu traversé ; La durée mesurée, représente le temps mis par l onde entre le foyer et la station et non entre l épicentre et la station. Plus le séisme est profond et plus l erreur commise est importante. 7.b. Déterminer pour chaque station l erreur relative sur la distance la séparant de l épicentre. Les erreurs relatives vous paraissent-elles satisfaisantes au regard des sources d erreurs possibles identifiées à la question précédente? LIMF 0,5% Lycée de La Possession TS 6

7 C. Pour aller plus loin... la magnitude d un séisme 8. Calculer l énergie émise lors de ce séisme sachant que sa magnitude sur l échelle de Richter est 5,1. Comparer cette valeur à l énergie libérée par la bombe atomique Little Boy sur Hiroshima de 63 TJ. Lycée de La Possession TS 7

8 Compétences mises en jeu dans ce TP Compétences Questions / Parties Compétences détaillées S approprier 1a, 1b, 2a, 2b, 3 Rechercher, extraire et organiser de l information. Analyser 4, 5a Observer et décrire un phénomène. Justifier un protocole. Réaliser parties «affichage et recueil des données» et «déterminer la position de l épicentre sur une carte» 6, 8 Effectuer un calcul simple. Valider 5b 7a 7b Estimer l incertitude d une mesure. Confronter les résultats expérimentaux à une référence. Analyser les résultats de façon critique. Communiquer Lycée de La Possession TS 8