DS de Physique-Chimie n o 1 Ondes mécaniques progressives (1h30)

Documents pareils
Caractéristiques des ondes

Chapitre 2 Caractéristiques des ondes

Observer TP Ondes CELERITE DES ONDES SONORES

Chapitre 2 Les ondes progressives périodiques

Des ondes ultrasonores pour explorer le corps humain : l échographie

EXERCICE II : LE TELEPHONE "POT DE YAOURT" (5 points)

QUELQUES ACTIVITES RELATIVES A LA PARTIE A Propagation d une onde ; onde progressive. Comment installer le format de compression divx?

Lecture graphique. Table des matières

TP 7 : oscillateur de torsion

TRAVAUX PRATIQUES SCIENTIFIQUES SUR SYSTÈME

Items étudiés dans le CHAPITRE N5. 7 et 9 p 129 D14 Déterminer par le calcul l'antécédent d'un nombre par une fonction linéaire

BACCALAURÉAT PROFESSIONNEL EPREUVE DE TRAVAUX PRATIQUES DE SCIENCES PHYSIQUES SUJET A.1

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

DIPLÔME INTERUNIVERSITAIRE D ECHOGRAPHIE. Examen du Tronc Commun sous forme de QCM. Janvier h à 16 h

Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

TP 3 diffusion à travers une membrane

1 Savoirs fondamentaux

Fonctions linéaires et affines. 1 Fonctions linéaires. 1.1 Vocabulaire. 1.2 Représentation graphique. 3eme

CH IV) Courant alternatif Oscilloscope.

Acquisition et conditionnement de l information Les capteurs

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

Séquence 1. Sons et musique. Sommaire

3. Artefacts permettant la mesure indirecte du débit

TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie

OBJECTIFS. I. A quoi sert un oscilloscope?

Le déclenchement de l XPerience en HF est «On Demand» avec 2 options possibles :

10 leçon 2. Leçon n 2 : Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1 er CU)

Les Cheminements piétons

Mesures d antennes en TNT

Didier Pietquin. Timbre et fréquence : fondamentale et harmoniques

SINE QUA NON. Découverte et Prise en main du logiciel Utilisation de bases

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

EXERCICE 2 : SUIVI CINETIQUE D UNE TRANSFORMATION PAR SPECTROPHOTOMETRIE (6 points)

TS 35 Numériser. Activité introductive - Exercice et démarche expérimentale en fin d activité Notions et contenus du programme de Terminale S

«Tous les sons sont-ils audibles»

SUJET ZÉRO Epreuve d'informatique et modélisation de systèmes physiques

Comment suivre l évolution d une transformation chimique? + S 2 O 8 = I SO 4

Trépier avec règle, ressort à boudin, chronomètre, 5 masses de 50 g.

Annexe commune aux séries ES, L et S : boîtes et quantiles

Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

- MANIP 2 - APPLICATION À LA MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

Commun à tous les candidats

RÉALISATION DE GRAPHIQUES AVEC OPENOFFICE.ORG 2.3

PARTIE NUMERIQUE (18 points)

Mesurer les altitudes avec une carte

Présentation du programme. de physique-chimie. de Terminale S. applicable en septembre 2012

1. Réalisation d une mesure

Mesure du volume d'un gaz, à pression atmosphérique, en fonction de la température. Détermination expérimentale du zéro absolu.

CLUB DE MARCHE Ballade et Randonnée

Chapitre 13 Numérisation de l information

Animation pédagogique sur l oscilloscope à mémoire Hameg HM 507

Cours d Acoustique. Niveaux Sonores Puissance, Pression, Intensité

FICHE 1 Fiche à destination des enseignants

Exercices Alternatifs. Une fonction continue mais dérivable nulle part

Mesures et incertitudes

Exercices Alternatifs. Une fonction continue mais dérivable nulle part

Soit la fonction affine qui, pour représentant le nombre de mois écoulés, renvoie la somme économisée.

LE PROCESSUS ( la machine) la fonction f. ( On lit : «fonction f qui à x associe f (x)» )

Prédiction de couverture de champ radioélectrique pour les réseaux radiomobiles : L apport du Système d Information Géographique ArcInfo 8

Instruments de mesure

VIII- Circuits séquentiels. Mémoires

Partie Agir : Défis du XXI ème siècle CHAP 20-ACT EXP Convertisseur Analogique Numérique (CAN)

Repérage de l artillerie par le son.

Baccalauréat technique de la musique et de la danse Métropole septembre 2008

Interaction milieux dilués rayonnement Travaux dirigés n 2. Résonance magnétique : approche classique

Sons et ultrasons applications: échographie et doppler PACES

Electron S.R.L. - MERLINO - MILAN ITALIE Tel ( ) Fax Web electron@electron.it

08/07/2015

CHAPITRE IX : Les appareils de mesures électriques

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

TP Détection d intrusion Sommaire

Baccalauréat ES Amérique du Nord 4 juin 2008

ACOUSTIQUE 3 : ACOUSTIQUE MUSICALE ET PHYSIQUE DES SONS

Nombre dérivé et tangente

PRODUIRE DES SIGNAUX 1 : LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES, SUPPORT DE CHOIX POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS

Energie et conversions d énergie

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Procap Accessibilité et intégration. Adresses web. Accès sans obstacles aux piscines

Gestion des Clés Publiques (PKI)

ÉTUDE DE L EFFICACITÉ DE GÉOGRILLES POUR PRÉVENIR L EFFONDREMENT LOCAL D UNE CHAUSSÉE

LES LOIS PHYSIQUES APPLIQUÉES AUX DEUX-ROUES : 1. LA FORCE DE GUIDAGE

C2 - DOSAGE ACIDE FAIBLE - BASE FORTE

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

DÉRIVÉES. I Nombre dérivé - Tangente. Exercice 01 (voir réponses et correction) ( voir animation )

1 Problème 1 : L avion solaire autonome (durée 1h)

G.P. DNS02 Septembre Réfraction...1 I.Préliminaires...1 II.Première partie...1 III.Deuxième partie...3. Réfraction

BIEN CHOISIR VOTRE SYSTEME DE GUIDAGE PAR SATELLITES

SYSTEMES LINEAIRES DU PREMIER ORDRE

P.L.U. Plan Local d'urbanisme PRESCRIPTION D'ISOLEMENT ACOUSTIQUE AU VOISINAGE DES INFRASTRUCTURES TERRESTRES DOCUMENT OPPOSABLE

Mini_guide_Isis_v6.doc le 10/02/2005 Page 1/15

Décrets, arrêtés, circulaires

uc : Cas d utilisation Top-Chair [Utilisation normale] Fauteuil Top-Chair Déplacer le fauteuil sur tous chemins «include» «include» «extend»

Mini_guide_Isis.pdf le 23/09/2001 Page 1/14

Charges électriques - Courant électrique

MOTO ELECTRIQUE. CPGE / Sciences Industrielles pour l Ingénieur TD06_08 Moto électrique DIAGRAMME DES INTER-ACTEURS UTILISATEUR ENVIRONNEMENT HUMAIN

Automatique Linéaire 1 Travaux Dirigés 1A ISMIN

DM n o 8 TS Physique 10 (satellites) + Chimie 12 (catalyse) Exercice 1 Lancement d un satellite météorologique

Les mesures à l'inclinomètre

Transcription:

DS de Physique-Chimie n o 1 Ondes mécaniques progressives (1h3) Les deux exercices sont indépendants. Les trois parties de l exercice I sont indépendantes. Exercice I Étude du relief d un fond marin 1. Étude de l onde ultrasonore dans l eau de mer. 1.1. Définir une onde mécanique progressive. 1.2. L onde ultrasonore est-elle une onde longitudinale ou transversale? 2. Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l eau. La célérité des ultrasons dans l air v air =34m.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. Émetteur d Récepteur A Entrée A Figure 1 12 V continu eau de mer Récepteur B Entrée B 2.1. Pourquoi est-il nécessaire de déclencher l acquisition lorsqu un signal est reçu sur l entrée B? 2.2. Donner l expression du retard t entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs en fonction de t A et t B,duréesquemettentlesultrasonspourparcourirrespectivement la distance d dans l air et dans l eau de mer. 2.3. On détermine t pour différentes distances d entre l émetteur et les récepteurs. On traite les données avec un tableur et on obtient le graphe t = f(d) ci-dessous. 3. t (ms) 2. 2. 1. 1...1.2.3.4..6.7.8.9 1. 1.1 1.2 1.3 d (m) t = f(d) 1

2.3.1. Donner l expression de t en fonction de d, v air, v eau. 2.3.2. Justifier l allure de la courbe obtenue. 2.3.3. Déterminer graphiquement le cœfficient directeur de la droite t = f(d). En déduire la valeur de la célérité v eau des ultrasons dans l eau de mer en prenant v air =34m.s 1. 3. Détermination du relief des fonds marins. Dans cette partie on prendra v eau =1, 1 3 m.s 1. Un sondeur acoustique classique est composé d une sonde comportant un émetteur et un récepteur d onde ultrasonore de fréquence f =2kHzet d un boîtier de contrôle ayant un écran qui visualise le relief des fonds sous-marins. La sonde envoie des salves d ultrasons verticalement en direction du fond à des intervalles de temps réguliers ; cette onde ultrasonore se déplace dans l eau àunevitesseconstantev eau.quandellerencontre un obstacle, une partie de l onde est réfléchie et renvoyée verslasource.ladéterminationduretard entre l émission et la réception du signal permet de calculer la profondeur p. Un bateau se déplace en ligne droite suivant un axe x x en explorant le fond depuis le point A x A =m jusqu au point B x B =m(figure 2). Le sondeur émet des salves d ultrasons à intervalles de temps égaux, on mesure à l aide d un oscilloscope la durée t séparant l émission de la salve de la réception de son écho. Sens de déplacement du bateau Surface de l eau Figure 2 p Fond marin x A x A =m B x 3.1. L oscillogramme ci-dessous montre l écran d un oscilloscope lorsque le bateau se trouve en A (x A = m).l unedesvoiesreprésentelesignalémis,l autrelesignal reçu par le récepteur. Sur l oscillogramme, on a décalé la voie 2 vers le bas pour distinguer nettement les deux signaux. Sensibilité horizontale : 1 ms/div La figure 3 se trouvant sur l annexe représente t = f(x) lorsquelebateausedéplacedeaversb. 2

3.1.1. Identifier les signaux observés sur chaque voie, en justifiant. 3.1.2. Àpartirdel oscillogramme,déterminerladurée t entre l émission de la salve et la réception de son écho. 3.1.3. En déduire la graduation de l axe des ordonnées de la figure 3setrouvantsurl annexereprésentant la durée t en fonction de la position x du bateau. 3.2. Déterminer la relation permettant de calculer la profondeur p en fonction de t et v eau. 3.3. Tracer sur la figure 4 se trouvant sur l annexe, l allure du fond marin exploré en précisant la profondeur p en mètres en fonction de la position x du bateau. Exercice II Propagation d une onde le long d une corde Une très longue corde élastique inextensible est disposée horizontalement sur le sol. Àladatet =, un opérateur crée une perturbation en imprimant une brève secousseverticaleà l e x t r é m i t é S d e l a c o r d e. La célérité de l onde mécanique créée vaut v =1m.s 1.Lafigureci-dessousreproduitlacourbedes variations temporelles de l altitude y S du point source. y S (cm) Figure.1.2.3.4..6.7.8.9 1. 1. Représentation temporelle Un point P est repéré sur la corde à une distance SP = 4, mdel extrémité. a. Quelle durée sépare l émission du signal en S et son arrivé e e n P? b. Sur la figure 6 de l annexe, tracer l allure des variations temporelles de l altitude y P de P. 2. Représentation spatiale Le front d onde à la date t est le point de la corde qui commence à être affecté par la perturbation. La crête est le point de la corde où la perturbation est maximale, et la queue est le point où la perturbation se termine. a. Déterminer à la date t =, s la position du front d onde, celle de la crête et celle de la queue. b. En déduire l allure d une photographie de la corde à cette date, à reproduire sur la figure 7 de l annexe, dont les échelles et les légendes des axes sont aussi à compléter. 3. Influence de quelques paramètres sur la célérité de l onde Les courbes ci-après donnent l évolution au cours du temps dudéplacementverticald unpointkde la corde, situé à la distance fixe d =SKdupointsourceS;lesconditionsexpérimentalessontprécisées pour chaque expérience. Toutes les réponses doivent être justifiées en utilisant les représentations graphiques. 3.1. Influence de la tension de la corde. Lors de l expérience 1.a, la tension est plus faible que lors del expérience1.b. La tension de la corde modifie-t-elle la célérité, et si oui, dans quel sens? 3

y K Expérience 1.a y K Expérience 1.b 3.2. Influence de la masse de la corde. La masse linéïque µ est la masse par unité de longueur ; pour une corde de masse M et de longueur L, onadonc: µ = M L La masse linéïque de la corde utilisée pour l expérience 2.a est plus faible que celle de la corde utilisée pour l expérience 2.b. La masse linéïque modifie-t-elle la célérité, et si oui, dans quel sens? y K Expérience 2.a y K Expérience 2.b 4

Annexe, à rendre avec la copie Nom :....................... Prénom :................... t (ms) Point A Point B 1 2 3 4 x (m) x (m) 1 2 3 4 Point A Point B p (m) Figure 3 Figure 4 y P (cm) Figure 6.1.2.3.4..6.7.8.9 1. Figure 7

Corrigé du DS n o 1 Ondesmécaniquesprogressives Exercice I Étude du relief d un fond marin 1. Étude d une onde ultrasonore dans l eau... 1.1. Une onde mécanique progressive est le phénomène de propagation d une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière. 1.2. L onde ultrasonore est une onde longitudinale car la direction de la perturbation est parallèle à la direction de propagation de l onde. 2. Détermination de la célérité des ondes... 2.1. La célérité des ondes sonores est plus élevée dans l eau de mer que dans l air ; le signal va donc arriver plus rapidement sur le récepteur B, et avec un temps de retard sur le récepteur A. Déclencher l acquisition lors de la réception d un signal sur B permet de ne pas «rater» le même signal sur A, et de mesurer le retard entre les deux réceptions. 2.2. t = t A t B 2.3.1. Expression de t : v air = d t A et v eau = d t eau t A = d et t B = d v air v eau ( 1 t = t A t B = d 1 ) v air v eau 2.3.2. La relation précédente montre que t est proportionnel à d. Orsurlacourbeproposéeon peut tracer une droite d interpolation moyenne passant par l origine, typique d une relation affine de proportionnalité entre t et d. 2.3.3. On prends un point extrème de la droite d interpolation moyenne (3, ; 1, 3), et l origine ( ; ) ; la pente a de la droite est alors : Application numérique : v eau = 34 1 2, 3 1 3 34 =1, 6 13 m.s 1 3. Détermination du relief des fonds marins 3.1.1. La causalité entre les signaux (= le signal reçu l est uniquement après émission du signal émis) indique que le signal émis est le signal du haut, et le signal reçu, celui du bas, avec la salve retardée d une durée t. 3.1.2. t =2, 7 1 = 27 ms = 2, 7 1 2 s. 3.1.3. Par lecture graphique sur la figure 3, on constate qu en x =indiquécommeétantlepointa,la courbe est à une graduation de hauteur en t. Or on a vu à la question précédente qu en A, on a t =27ms.Doncchaquegraduationverticale correspond à 27 ms. 3.2. Les ultrasons émis se dirigent vers le fond, ils parcourent la distance p ;puisilsreviennentverslebateau et parcourent à nouveau la distance p. Donc: v eau = d t = 2p p = v eau t t 2 3.3. On nous laisse sympathiquement l échelle des ordonnées vierge ; on va donc décider qu un écho de t =27mscorrespondàunedistanced unegraduation sur l axe des profondeurs. La courbe de la figure 4 est symétrique de celle de la figure 3, voir ci-dessous. Point A Point B 1 2 3 4 6 7x (m) a = 3, =2, 3ms.m 1 1, 3 c est-à-dire a =2, 3 1 3 s.m 1. La relation affine entre t et d s écrit : t = a d avec a = 1 v air 1 v eau a = v eau v air v air v eau av air v eau = v eau v air v eau (av air 1) = v air v air v eau = 1 av air p (m) L énoncé ne demande pas explicitement d indiquer les graduations de l ordonnée ; avec la relation trouvée dans la question précédente, on peut calculer qu une graduation doit correspondre à : p = 1, 13 27 1 3 =2m 2 et ainsi graduer l axe de 2 mètres en 2 mètres.

Exercice II Propagation d une onde le long d une corde 1. Représentation temporelle a. La durée τ s exprime par : v = SP τ Application numérique : τ = SP v τ = 4, =, 4 s 1 b. Figure 6 : allure des variation temporelles de P : y P (cm) 2. Représentation spatiale a. Le front d onde est émis en premier au niveau de la source S, dès t = ; pendant la durée τ F = t t =, =, s, il parcourt la distance : v = SF τ F SF = vτ F Numériquement : SF = 1, =, m. La crête est émise en t 1 =, 1 s au niveau de la source S ; pendant la durée τ C = t t 1 =,, 1 =, 4 s, elle parcourt la distance : v = SC τ C SC = vτ C Numériquement : SC = 1, 4 = 4, m. La queue est émise en dernier au niveau de la source S, jusqu à t 2 =, 3 s ; pendant la durée τ Q = t t 2 =, 3 =, 2 s, elle parcourt la distance : v = SQ τ Q SQ = vτ Q Numériquement : SQ = 1, 2 = 2, m. b. Figure 7 : allure des variations spatiales de la corde : y (cm) x (m) 2 4 6 8 1 3. Influence de quelques paramètres... a. On constate graphiquement que : le front de l onde de l expérience 1.a arrive au point K à l instant de date t 1a =, s; le front de l onde de l expérience 1.b arrive au point K à l instant de date t 1b =, 3s. L onde atteint donc le point K plus rapidement dans l expérience 1.b que dans l expérience 1.a. Ainsi, la célérité de l onde est plus grande dans l expérience 1.b que dans l expérience 1.a. Donc la tension de la corde modifie la célérité de l onde : plus la tension de la corde est grande, plus la célérité de l onde est grande. b. On constate graphiquement que : le front de l onde de l expérience 2.a arrive au point K à l instant de date t 1a =, 4s; le front de l onde de l expérience 2.b arrive au point K à l instant de date t 1b =, s. L onde atteint donc le point K plus rapidement dans l expérience 2.a que dans l expérience 2.b. Ainsi, la célérité de l onde est plus grande dans l expérience 2.a que dans l expérience 2.b. Donc la masse linéïque de la corde modifie la célérité de l onde : plus la masse linéïque est grande, plus la célérité de l onde est petite.

Grille DS n o 1 Grille DS n o 1 Exercice I Fond marin.../3 Onde Mécanique Progressive Longitudinale Explication longitudinale v eau >v air t A >t B ou équivalent Déclench mt sur B pour ne pas «rater» A t = t A t B (dans ce sens sinon négatif) v air = d/t A v eau = d/t B t = d (1/v air 1/v eau ), démontrée t d d après la formule ci-dessus Droite linéaire = passe par zéro Implique une relation linéaire entre t et d Calcul de pente à partir de points extrèmes a 2, 3s.m 1 (1/2 pour l unité) a 2, 3s.m 1 (1/2 pour l unité) t = a d ou explication équivalente a =1/v air 1/v eau v eau = v air /1 av air,démontrée v eau 1, 1 3 m.s 1 v eau 1, 1 3 m.s 1 Émis en haut, reçu en bas, car en retard Mesure t 27 ms (1/2 si 26 ms) On connaît t en A ou explication équivalente Implique graduation tous les 27 ms v eau =2p/ t ou explication aller-retour de l écho p = v eau t/2 Courbe du fond symétrique Explication ordonnées figure 4 Bonus : calcul p =2m Bonus : graduation correcte ordonnées figure 4 Exercice II Corde.../1 τ =SP/v τ =, 4 s Courbe annexe figure 6 à,4 s τ F =, s + SF = vτ F τ C =, 4 s + SC = vτ C τ Q =, 2 s + SQ = vτ Q SF =, m SC = 4, m SF = 2, m Courbe annexe figure 7 inversée à 2 m Courbe annexe figure 7 inversée à 2 m Front t 1b =, 3splusrapidequelet 1a =, s Donc tension + grande = célérité + élevée Front t 2a =, 4splusrapidequelet 2b =, s Donc masse + grande = célérité + faible Points.../3 Note.../2 Exercice I Fond marin.../3 Onde Mécanique Progressive Longitudinale Explication longitudinale v eau >v air t A >t B ou équivalent Déclench mt sur B pour ne pas «rater» A t = t A t B (dans ce sens sinon négatif) v air = d/t A v eau = d/t B t = d (1/v air 1/v eau ), démontrée t d d après la formule ci-dessus Droite linéaire = passe par zéro Implique une relation linéaire entre t et d Calcul de pente à partir de points extrèmes a 2, 3s.m 1 (1/2 pour l unité) a 2, 3s.m 1 (1/2 pour l unité) t = a d ou explication équivalente a =1/v air 1/v eau v eau = v air /1 av air,démontrée v eau 1, 1 3 m.s 1 v eau 1, 1 3 m.s 1 Émis en haut, reçu en bas, car en retard Mesure t 27 ms (1/2 si 26 ms) On connaît t en A ou explication équivalente Implique graduation tous les 27 ms v eau =2p/ t ou explication aller-retour de l écho p = v eau t/2 Courbe du fond symétrique Explication ordonnées figure 4 Bonus : calcul p =2m Bonus : graduation correcte ordonnées figure 4 Exercice II Corde.../1 τ =SP/v τ =, 4 s Courbe annexe figure 6 à,4 s τ F =, s + SF = vτ F τ C =, 4 s + SC = vτ C τ Q =, 2 s + SQ = vτ Q SF =, m SC = 4, m SF = 2, m Courbe annexe figure 7 inversée à 2 m Courbe annexe figure 7 inversée à 2 m Front t 1b =, 3splusrapidequelet 1a =, s Donc tension + grande = célérité + élevée Front t 2a =, 4splusrapidequelet 2b =, s Donc masse + grande = célérité + faible Points.../3 Note.../2