Session 2014 SUJET TYPE 1 : BACCALAURÉAT GÉNÉRAL PHYSIQUE CHIMIE Série S Durée de l épreuve : 3 heures 30 Coefficient : 6 L usage de la calculatrice électronique est autorisé Ce sujet comporte 3 exercices présentés sur 8 pages numérotées de 1 à 8, y compris celle-ci. Les annexes (page 6, 7, 8) sont à rendre avec la copie. CONTENU : Titre Points Enoncé pages Annexe à rendre page I Le laser au quotidien 8 2-3 II L écholocation des chauves-souris 7 4-5 8 III Les ondes sonores et l oreille 5 6-7
EXERCICE I : Le laser au quotidien (8 points) Saviez-vous que si vous regardez des DVD,naviguez sur le web,scannez les codes barre et si certains peuvent se passer de leurs lunettes,c'est grâce à l'invention du laser,il y a 50 ans! Intéressons-nous aux lecteurs CD et DVD qui ont envahi notre quotidien. La nouvelle génération de lecteurs comporte un laser bleu (le blu-ray) dont la technologie utilise une diode laser fonctionnant à une longueur d'onde λ B = 405 nm dans le vide, d une couleur bleue (en fait violacée) pour lire et écrire les données. Les CD et les DVD conventionnels utilisent respectivement des lasers infrarouges et rouges. Les disques Blu-ray fonctionnent d'une manière similaire à celle des CD et des DVD. disque 0,1 mm Coté étiquette Coté étiquette Coté étiquette 0,6 mm 0,1 mm zone non gravée zone gravée 1,2 mm laser Zoom sur la zone gravée et le spot laser Figure 1 : caractéristiques des disques CD, DVD et Blu-ray. Donnée : La célérité de la lumière dans le vide et dans l'air : c = 3,00 10 8 m.s -1 1. A propos du texte 1.1. Quel est le nom du phénomène physique responsable de l'irisation d'un CD ou d'un DVD éclairé en lumière blanche? 1.2. Calculer la valeur de la fréquence ν de la radiation utilisée dans la technologie bluray. 1.3. Comparer la longueur d'onde du laser blu-ray à celle des systèmes CD ou DVD. 2. Diffraction On veut retrouver expérimentalement la longueur d'onde λ D de la radiation monochromatique d'un lecteur DVD. On utilise pour cela le montage de la figure 1 page suivante, d étant la dimension de l ouverture, θ le demi- écart angulaire. 2.1. Les ondes 2.1.1 Donner le domaine des longueurs d'onde dans le vide associé aux radiations visibles. 2.1.2 Une onde lumineuse est-elle une onde mécanique? Justifier. 2.1.3 Donner la relation entre la longueur d'onde dans le vide λ, c et T. Préciser les unités. 2.1.4 En déduire la période T d'une onde électromagnétique de longueur onde λ = 405nm. 2/8
2.2. Intérêt d un blu-ray? On modélise le laser projeté sur un «trou» de DVD par le montage de la figure 1 donnée ci-dessous, d étant le diamètre d un fil, θ le demi- écart angulaire. 2.2.1 Etablir la relation entre θ, L (largeur de la tache centrale de diffraction) et D (distance entre le fil et l'écran). On supposera θ suffisamment petit pour considérer tan θ θ avec θ en radian. 2.2.2 Donner la relation entre θ, λ et d en indiquant l'unité de chaque grandeur. 2.2.3 En déduire la relation L = 2 λ D d 2.2.4 Indiquer comment varie L lorsqu on remplace la lumière émise par un lecteur DVD conventionnel par un laser Blu-Ray? Expliquer alors en quelques mots l intérêt que présente le changement de longueur d'onde d un lecteur DVD conventionnel par un lecteur Blu-ray? 2.2.5 Pour stocker davantage d informations sur un disque, les scientifiques travaillent sur la mise au point d autre laser. Dans quel domaine des ondes lumineuses se situera la longueur d onde de ce nouveau laser? 3. Interférences On place des fentes d Young sur le chemin du laser. Voir le dispositif expérimental figure 2 ci-dessous. On observe alors des figures d interférences caractérisées par l interfrange noté i. 3.1. En utilisant les unités S.I. de chaque grandeur, montrer que seules deux expressions de l interfrange peuvent être retenues parmi les 4 suivantes. i = D + λ a i = a²d λ² i = λd a i = a λd 3.2. On réalise l expérience d abord avec le laser «DVD» puis avec le laser blu-ray sans modifier le reste du montage, on constate que la valeur de l interfrange diminue. Quelle est l expression de l interfrange? Justifier votre réponse. 3.3. Qu observerait-on si on remplaçait dans le dispositif expérimental un laser par 2 lasers de même longueur d onde? Justifier. D Laser DVD Ecran θ L Figure 1 Figure 2 : Dispositif expérimental interférentiel 3/8
EXERCICE 2 : L écholocation des chauves-souris (7 points) Doc.1 : L écholocalisation des chauves-souris Les cris - On classe les cris ultrasonores des chauves-souris en trois groupes : les émissions de fréquence constante (FC), les émissions de fréquence modulée décroissante (FM) et les émissions mixtes (FC-FM). En général, ces ultrasons ne sont pas purs mais composés d une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques Pour qu une proie soit détectable, elle doit avoir une dimension supérieure à la longueur d onde du signal ultrasonore. Détection des distances - Pour estimer la distance à un objet (obstacle fixe, proie ), les organes sensoriels de la chauve-souris enregistrent le retard de l écho par rapport à l émission du signal. Détection de la vitesse La chauve-souris perçoit sa vitesse relative par rapport à un objet grâce au décalage de fréquence du signal réfléchi dû à l effet Doppler. Les battements d aile d une proie produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant qui se superposent au décalage général engendré par les obstacles fixes environnants. Chez certaines espèces, pour faciliter la détection de ces oscillations, il existe un système de compensation : ces espèces modifient la fréquence d émission pour que la fréquence du signal réfléchi par les obstacles fixes soit ramenée à une fréquence de référence, celle qui est émise lorsque la chauve-souris est immobile, et pour laquelle la sensibilité est maximale. Donnée : Vitesse du son (ou des ultrasons) dans l air : v son = 340 m.s -1 1. Caractéristique des ondes ultrasonores 1.1. Qu appelle-t-on «cris ultrasonores»? 1.2. Est-ce une onde longitudinale ou transversale? Justifier. 1.3. À partir du Doc.2 page 8, déterminer la période T des signaux émis par les chauvessouris. Faire apparaitre sur le document votre mesure pour déterminer T. 1.4. En déduire la fréquence fondamentale f des signaux émis par les chauves-souris. Conclure. 1.5. Quelle est la fréquence de ses deux harmoniques les plus proches? 2. Nourrir les chauves-souris 2.1. Nommer le phénomène qui perturbe la détection d un écho pour que la proie soit détectable (Doc.1 ci-dessus). 2.2. Calculer la dimension minimale d une proie pour qu elle soit détectable. 2.3. En utilisant le Doc.3 page 8, calculer la distance séparant la chauve-souris du mur. 2.4. Expliquer pourquoi «Les battements d aile d un insecte produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant». 2.5. Donner un exemple d utilisation de l effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques. 4/8
2.6. Lorsque la chauve-souris se rapproche d un mur, l écho perçu a-t-il une fréquence plus grande, identique ou plus faible que celle du signal émis? Justifier simplement. 3. Conséquences de l effet Doppler On propose deux relations pour l expression de la fréquence perçue f R par une chauve-souris se dirigeant vers un mur à la vitesse de v = 20 km.h -1. On note f 0 la fréquence du signal émis. f R = v son v v son + v f 0 f R = v son + v v son - v f 0 v = v son f 2f 0 3.1. Laquelle des relations ou est utilisable dans le cas décrit? Justifier. 3.2. Calculer la fréquence f R de l écho reçu lorsque le signal émis a pour fréquence 62 khz. 3.3. En utilisant une des expressions précédentes, calculer la vitesse v d une proie par rapport à la chauve-souris, lorsque celle-ci perçoit un décalage de fréquence f = 880 Hz pour un ultrason émis à la fréquence f 0 = 93 khz. 3.4. Combien de temps va mettre la chauve-souris pour rattraper sa proie, supposée située à 8,5 m d elle en ligne droite? 5/8
EXERCICE III : Les ondes sonores et l oreille (5 points) Document 1 : Camille réalise les observations suivantes : Aucun signal sonore ne nous parvient du Soleil, alors qu il s y déroule en permanence de gigantesques explosions. Une bougie est placée devant un haut-parleur qui émet un son très grave. La flamme se rapproche et s éloigne alternativement de la membrane du haut-parleur, mais elle n oscille pas dans la direction perpendiculaire. Document 2 : Le diagramme de Fletcher indique les courbes isosoniques qui correspondent aux niveaux d intensité sonore perçue par l oreille. Sur la figure 1 ci-dessous, on a le diagramme pour une personne «normale». Sur figure 2 ci-dessous, on indique les limites de la parole et de la conservation. 40 - - - - - seuil d audibilité 500 Figure 1 Fréquences (Hz) Figure 2 Document 3 : J entends quatre fois moins le son que le facteur 6/8
Document 4 : Données Intensité sonore de référence : I 0 = 1,0.10-12 W.m -2 Le niveau d intensité sonore L d une source s exprime par L = 10 log( I I 0 ) avec I, l intensité sonore de la source, en watt par mètre carré. L intensité sonore I à une distance d d une source émettant dans toutes les directions est liée à la puissance P de cette source par : I = P avec S, la surface de la sphère de S rayon d : S = 4 π. d 2 1.1. Quelles sont les deux caractéristiques des ondes sonores qui découlent des observations du document 1? 2. Sensibilité de l oreille humaine En utilisant les documents 2 2.1. Que représente une courbe isosonique? 2.2. Un son de fréquence 40 Hz et de niveau sonore 40 db peut-il être entendu par une oreille humaine? 2.3. Délimiter la zone de confort d écoute d une conversation entre deux individus? 2.4. Pour quelles fréquences la sensibilité de l oreille humaine est-elle la plus grande? 2.5. On considère un son de fréquence 500 Hz et de niveau sonore 40 db. Quel est le niveau sonore de fréquence 100 Hz donnant la même sensibilité auditive? 2.6. A la télévision, les publicités nous paraissent souvent plus sonores que les films. Le niveau d intensité sonore est pourtant règlementé. Certaines publicités jouent sur la sensibilité de l oreille afin de paraître plus sonores, tout en respectant les normes en décibels. Expliquer comment une publicité peut paraître plus sonore tout en respectant la législation? 3. Nuisance sonore Une usine bruyante est assimilée à une source sonore ponctuelle émettant des ondes sonores sphériques, de fréquence proche de 500 Hz et de niveau sonore L = 130 db. L émission se fait sans atténuation et de façon identique dans toutes les directions de l espace. Une habitation est située à une distance d = 200 m de cette usine. (Voir document 3) 3.1. La puissance émise par la source sonore est P = 10 W. Quel est le niveau sonore L (en db) à proximité directe de l habitation? 3.2. Est-ce tolérable? Soyez critique. 3.3. A quelle distance de l usine le son n est-il plus perçu (dans ce cas I = I 0 )? On suppose qu il n y a pas d amortissement du son lors de la propagation. 3.4. L affirmation du cycliste est-elle juste? 7/8
ANNEXE A RENDRE NOM :... Prénom :... Classe :... Doc.2 : Représentation graphique des cris émis par les chauves-souris. Doc.3 : Représentation graphique des signaux émis et reçu par la chauve-souris après réflexion sur un obstacle fixe. 8/8