Les ondes sont partout! 1 Qu est-ce qu une onde? A gauche : une goutte d eau sur la surface d un lac ; ci-dessus : une ola dans un stade. Problématique : à partir de ces éléments, comment définir une onde? Quelques idées Voici une discussion entre élèves - Mathys : «c est quelque chose qui se déplace» - Enzo : «mais dans une ola, les spectateurs restent à leur place!» - Léa : «oui, ils se lèvent puis se rassoient.» Proposer d autres hypothèses. Expérience Avec une corde ou un ondoscope, on peut facilement créer une onde. ondoscope 1. D un bout à l autre de l ondoscope, y a-t-il déplacement de matière? 2. Comment décrire/qualifier ce qui se déplace? Conclusion 1
2 Son et lumière : deux types d ondes différents Problématique : Galaga, Warblade, R-Type Star Wars! Dans les batailles spatiales des jeux vidéo, on peut voir et entendre plein d explosions dans tous les sens. Quelques idées Proposer d autres hypothèses. Sur le terrain Un astronaute filme dans l espace. «la Terre est bleue comme une orange» On n entend pas le réveil qui sonne sous la cloche à vide! 1. Peut-on voir dans l espace? 2. Peut-on entendre dans l espace? 3. Que faut-il à une onde sonore pour se propager? Est-ce le cas pour une onde lumineuse? 2
3 Ondes et signaux électriques 3.1 De l onde au signal électrique Dans l oreille, la vibration du tympan est transformée en impulsions électriques transportées par le nerf auditif et analysées par le cerveau. Qu est-ce qui fait vibrer le tympan? Observons le signal électrique délivré par un micro devant lequel un diapason La 3 est mis en vibration. Travail à faire - Dessinez l écran de l oscilloscope. - Indiquez la période et estimez-la. - En déduire la fréquence du signal. 3.2 Du signal électrique à l onde Balayage horizontal : Sensibilité verticale : Réglage de la fréquence. La valeur se lit sur le vernier et doit être multipliée par le calibre enclenché en-dessous. Potentiomètre à gauche Réglage de l amplitude du signal : entre 0 et 10 V (1), entre 0 et 1 V (1/10) et entre 0 et 100 mv (1/100). Un générateur basse fréquence (GBF) permet de créer des tensions électriques variables dans le temps, de forme sinusoïdale par exemple. L appareil est initialement réglé de sorte à fournir en direction d un haut-parleur une tension sinusoïdale de fréquence f = 440 Hz. Forme du signal : sinusoïdal, triangle, carré. Bornes de sortie du GBF. 3
Le haut-parleur est un dispositif capable de produire des sons s il est alimenté en électricité. Le signal électrique auquel il est soumis peut provoquer la vibration sa membrane (phénomène d induction) et celle des couches d air à proximité de celle-ci : c est l origine du son. A l inverse, un micro est un «haut-parleur inverse» qui transforme le son en signal électrique. On parle donc de «transducteurs électromécaniques» Travail demandé Sans toucher aux réglages du GBF, relier sa sortie à la voie YA de l oscilloscope et visualiser la tension générée par le GBF sur l écran. Représenter la tension observée à l écran en notant les réglages de balayage horizontal et de sensibilité verticale. Indiquer l amplitude U max et la période T de la tension. Les déterminer. Calculer la fréquence f du signal électrique délivré par le GBF. Vérifier cette donnée à l aide du multimètre (en mode fréquencemètre). Balayage horizontal : Sensibilité verticale : Relier le GBF à un haut-parleur. Conclure sur le son produit. Noter le plus précisément possible l influence des potentiomètres «fréquence» et «sortie» (avec modération!) sur le son et le signal obtenu à l oscilloscope. Dans les téléphones portables, micro et haut-parleur sont basés sur la piezoélectricité. Matériel Un capteur piézoélectrique Centrale d acquisition et sa notice simplifiée La piézoélectricité est la propriété qu ont certains matériaux de se polariser sous l effet de contraintes mécaniques. Ces matériaux sont très utilisés, notamment au sein des transducteurs acoustiques. On trouve ces dispositifs en acoustique, pour sonoriser certains instruments (guitare sèche, cordes en général et batterie électronique) ou dans les haut-parleurs des téléphones portables, mais aussi en médecine, au sein des sondes d échographie, ou encore dans les systèmes de sonars marins ou automobiles. La polarisation du matériau est transformée en signal électrique dont les caractéristiques reflètent celles des contraintes mécaniques qui lui ont donné naissance. Travail demandé Capter le pouls pendant une dizaine de secondes. Imprimer la courbe obtenue (en prenant soin d économiser le papier : faites une copie d écran et utilisez un traitement de textes). Indiquer la période du signal cardiaque sur la courbe. Déterminer la période et la fréquence cardiaques en expliquant votre démarche. 4
u (V) 0,15 0,1 0,05 0-0,05-0,1 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0-0,05 2 4 6 8 10 t (s) En haut : patient au repos En bas : après une série de génuflexions Sur un «vrai» ECG : le papier défile à 25 mm/sec. Déterminer la pulsation cardiaque (bpm). 5