DM1 2018-2019. PHYSIQUE CHIMIE Les ondes sont présentes partout autour de nous et ont été observées bien avant l'avènement de la science moderne. Sous leur forme probablement la plus évidente, ce sont les rides circulaires créées à la surface d'un étang par la chute d'un petit cailloux Le but de cet exercice est d étudier la propagation d ondes de différentes natures ondes mécaniques (sismiques, à la surface de l eau, ultrasonores) et ondes électromagnétiques - ainsi que des applications. Le sujet sera rendu avec la copie, seuls les annotations sur l annexe étant prises en considération Les parties A, B, C et D sont indépendantes et seront rédigées sur des pages séparées La restitution des parties C et D est facultative Partie A. Ondes sismiques On se propose dans cette partie de déterminer la position de l épicentre d un séisme survenu dans la zone pacifique. Les recherches documentaires ont conduit aux informations suivantes. Ondes P et S Quand la Terre tremble, les vibrations se propagent dans toutes les directions à partir du foyer de tremblement de terre. Les vibrations sont initialement de deux types, celles qui compriment et détendent alternativement les roches à la manière d un accordéon, et celles plus destructrices qui les cisaillent. Les premières (appelées ondes P), sont les plus rapides. Les secondes (appelées ondes S) sont, à cause des propriétés élastiques des roches, systématiquement plus lentes mais environ cinq fois plus «fortes» que les premières. Peut-on les distinguer quand un séisme a lieu sous nos pieds? Oui: les ondes P nous secouent horizontalement, tandis que les ondes S, soulèvent ou affaissent le sol. Ainsi, lors d un séisme lointain, ayant ressenti l onde P, on peut anticiper l arrivée des ondes S. Heureusement, lors de leur voyage à travers les différentes couches de la Terre, les ondes perdent de leur énergie. En s éloignant du foyer, elles s amortissent et leurs effets s atténuent. Voilà pourquoi les séismes superficiels, trop proches pour être affaiblis, sont les plus destructeurs D après La Recherche (n 0 exceptionnel aoßt octobre 2001 LES SEISMES) Épicentre et foyer du séisme TS Une onde sismique commence à se propager à partir du foyer. Une station enregistreuse est située à une distance D de l épicentre et d du foyer. Un foyer superficiel est un foyer très proche de la surface terrestre. Dans ce cas on peut considérer que le foyer superficiel et l épicentre sont confondus (d D). On note vp la célérité de l onde P et vs la célérité de l onde S dans la croûte. La connaissance de vp et vs et de modélisation par recueil de données expérimentales multiples dans la zone étudiées. Un capteur de station détecte l arrivée des deux ondes à la station. Les durées de propagation S et P des ondes à partir du foyer ne sont pas connus mais leur différence Δτ, égale à la différence de dates d arrivée des ondes, permet de calculer la distance entre la station et le foyer (ou l épicentre si le foyer est superficiel). Données concernant le séisme étudié Classement du foyer : superficiel Valeur des vitesses de propagation des ondes P et S : vp = 7,74km.s -1 et vs = 4,32km.s -1 Heure d arrivée des ondes P et S aux différentes stations : Carte de localisation des stations : Voir feuille annexe Questions 1. Les ondes sismiques sont un cas particulier d ondes mécaniques progressives. Donner la définition générale d une onde progressive et une propriété qui la distingue, comme toutes les ondes mécaniques, d une onde électromagnétique. 2. Les ondes peuvent être qualifiées par de longitudinales ou de transversales. Qualifier une onde S. 3. D après le texte, les ondes s amortissent en s éloignant du foyer. Ceci est vrai aussi pour les ondes sismiques à une dimension. A quoi cet amortissement est-il du? 4. A l aide des documents et des connaissances, localiser l épicentre du séisme étudié. Toute initiative prise pour résoudre cette question sera valorisé. Le regard critique porté sur le résultat ainsi que la qualité de la rédaction explicitant la démarche suivie seront prises en considération. 1
Partie B. Les ondes mécaniques périodiques à la surface de l eau en laboratoire Présentation du dispositif Pour étudier la propagation des ondes à la surface de l eau, on utilise une cuve à ondes. Unr réglette permet de générer une onde périodique considérée comme sinusoïdale. Les extrémités de deux fibres optiques sont placées contre l écran de la cuve où la succession de zones sombres et brillantes permet l étude de la propagation des ondes à la surface de l eau. La lumière captée sur l écran peut être transmise vers des capteurs photosensibles qui délivrent des tensions en fonction de l intensité lumineuse reçue. Les deux extrémités des fibres sont tout d abord en contact en un point M. On éloigne ensuite l une des fibres progressivement jusqu à un point N. On exploite alors l oscillogramme et les caractéristiques du dispositif pour déterminer la valeur de grandeurs recherchées : fréquence, longueur d onde ou célérité. Les tensions délivrées par ces capteurs sont étudiées sur les deux voies d un oscilloscope : Croquis du dispositif et données La distance entre M et N sur l écran vertical de la cuve vaut alors MN = 1,8 cm. Le grandissement du système optique est γ = 1,7. Oscillogramme observé dans la situation précédemment décrite Le passage d une ride brillante devant un capteur correspond à un pic sur l oscillogramme. La sensibilité horizontale de l oscilloscope est 20 ms/div. Questions : 1. Quel est le rôle des fibres optiques utilisées dans le dispositif? 2. Décrire une méthode pour mesurer le grandissement du système optique? 3. En exploitant les documents et vos connaissances et en détaillant le raisonnement, déterminer la longueur d onde, la fréquence et la célérité de l onde. Discuter des sources d erreurs. La qualité des mesures effectuées et la présentation de la démarche seront prises en considération. 2
Partie C. Détection marine La détection marine utilisée au quotidien par les plaisanciers et les pêcheurs fait usage des propriétés des ondes ultrasonores. Elle s effectue grâce à des appareils sondeurs qui permettent par exemple de localiser un banc de poissons en représentant sur un écran la profondeur de ce banc de poisson sous l eau. Un exemple de sondeur L appareil est relié à une sonde supposée placée à la surface de l eau qui envoie des impulsions ultrasonores de fréquence 83 khz dans l eau en forme de cône avec une intensité maximale à la verticale de la sonde. Le signal réfléchi par le poisson appelé écho est capté par la sonde puis analysé par l appareil en mesurant par exemple la durée entre l émission et la réception ainsi que l intensité de l écho. Vitesse de propagation du son dans l eau La vitesse de propagation vson du son (égale à celle des ultrasons) dans l eau varie en fonction de plusieurs paramètres du milieu : la température, la salinité S (masse de sel dissous dans un kilogramme d eau, exprimée ici en ) et la pression, c est-à-dire la profondeur. Pour de faibles profondeurs, nous pouvons utiliser le modèle de Lovett (1). (1) Le modèle de Lovett est reproduit sur la feuille annexe en page 5. Réflexion des ondes acoustiques L écho reçu après la réflexion d une onde acoustique sur un poisson nécessite un traitement spécifique pour être interprété. En effet de nombreux facteurs influent sur l intensité et la direction de propagation du signal. Avant tout, la géométrie du système influe sur le signal, aussi bien celui émis par le sondeur que celui réfléchi par le poisson. Le poisson qui sert de réflecteur modifie l onde de différentes façons. Si l organisme marin est petit par rapport à la longueur d onde, l onde est réfléchie de façon très peu directionnelle, il se comporte comme un point diffusant et sa forme réelle a peu d influence. Si sa taille est plus grande que la longueur d onde alors la réflexion est directionnelle. Selon l orientation du poisson, son anatomie et sa position par rapport à l axe du signal émis, l écho est plus ou moins déformé. Pour la science, n 436, Février 2014 Problème À l aide des documents, indiquer si le sondeur étudié permet de détecter une sardine située à la perpendiculaire et à la verticale de la sonde dans une mer de température θ = 10 ºC et de salinité S = 35 (pour mille). Toute initiative prise pour résoudre cette question sera valorisée La qualité de la rédaction explicitant la démarche suivie sera prise en considération 3
Partie D. Ondes électromagnétiques dans le domaine des infrarouges Observer dans le domaine de l infrarouge L atmosphère terrestre impose une limite aux observations dans l infrarouge, notamment à cause de la vapeur d eau. Celle-ci absorbe le rayonnement infrarouge venu des astres et le rediffuse dans l atmosphère. C est le même principe que l effet de serre qui empêche la fuite du rayonnement infrarouge de la Terre. En limitant la quantité de lumière infrarouge, la vapeur d eau limite la sensibilité des télescopes terrestres. Les objets célestes les moins intenses, soit peu lumineux soit très distants, sont ainsi difficilement détectables depuis le sol. Pour s affranchir de cette limite, les astronomes placent leurs télescopes sur des hauts plateaux désertiques et secs (par exemple à 5 000 m dans le désert de l Atacama au Chili, à Hawaï ou encore au Pic du Midi en France) ou au-dessus de l atmosphère, en orbite autour de la Terre. Ce second choix, plus coûteux, limite la taille du télescope à la capacité du lanceur et sa durée de vie à la quantité d hélium embarqué. Néanmoins, malgré ces limites, le télescope spatial présente par rapport à son homologue terrestre l avantage de s affranchir des turbulences atmosphériques qui perturbent le cheminement des photons et réduisent la qualité de l image. www.herschel.fr/fr/herschel/pourquoi_le_spatial.php Spectres d absorption de quelques espèces présentes dans l atmosphère D après www.atmos.washington.edu/ 1 Donner des exemples de sources de rayonnement dans le domaine de l infrarouge. 2 Compléter la figure 1 de la feuille annexe en attribuant à chacun des quatre intervalles le domaine de radiation qui lui correspond. 3 Justifier que l on rende l eau responsable de l absorption des infrarouges. 4 Préciser et expliquer les conditions particulières permettant l observation au sol dans l infrarouge. 5 Le rayonnement visible arrive jusqu au sol. Quelle est alors l utilité des télescopes spatiaux travaillant dans le visible? 4
NOM : Partie A ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Partie B Modèle de Lovett Partie D Figure 1 5