Décrire la propagation d’une perturbation :

Remettre dans l’ordre les schémas ci-dessous illustrant la propagation d’un son depuis un haut-parleur.

Décrire la propagation d’une perturbation :

Schémas dans l'ordre :

Expliquer la propagation d’une perturbation :

Un haut-parleur produisant un son est placé devant une bougie allumée.

Proposer une explication, à l’échelle microscopique, de variation d’inclinaison de la flamme.

Expliquer la propagation d’une perturbation :

-  Un haut-parleur produisant un son est placé devant une bougie allumée

-  L’air est un mélange de dioxygène et de diazote.

- Il est constitué d’un très grand nombre de molécules.

- C’est un milieu élastique.

-  Le déplacement de la membrane du haut-parleur entraîne le déplacement des molécules qui sont à son contact.

-  Les molécules sont écartées de leur position d’équilibre.

-  Leurs interactions avec les molécules voisines sont modifiées.

-  Les molécules qui constituent l’air vibrent et transmettent ce mouvement de proche en proche aux molécules voisines.

-  Les molécules voisines sont à leur tour déplacées et interagissent avec leurs voisines.

-  Ainsi la perturbation créée par la membrane du haut-parleur se propage de proche en proche dans l’air.

-  Lorsqu’elle atteint la flamme de la bougie, celle-ci est mise en mouvement.

Calculer une durée de propagation :

L’affichage d’un télémètre à ultrasons est reproduit ci-dessous.

À 25 ° C, les ultrasons se propagent dans l’air avec une célérité de 345 m . s^–1.

-  Calculer la durée de propagation des ultrasons lors de cette mesure.

Comparer des durées de propagation :

Sur une piste d’athlétisme, les coureurs ne sont pas tous à la même distance du pistolet du starter.

-  Comparer les durées de propagation du « top départ » entre ;

-  Le starter et le coureur le plus proche.

-  Le starter et le coureur le plus éloigné.

-  Données :

-  Vitesse de propagation du son dans l’air avec une célérité de 345 m . s^–1.

Distinguer des représentations :

Associer à chaque graphique sa description :

1.  Représentation spatiale.

2.  Représentation temporelle.

Distinguer des représentations :

1.  Représentation spatiale : y = f (x)

2.  Représentation temporelle :  y = g (t)

Exploiter la double périodicité :

Les deux graphiques ci-dessous correspondent à la même onde périodique.

1.  Déterminer la période, la longueur d’onde et l’amplitude de cette onde.

2.  En déduire la célérité de cette onde.

Exploiter la double périodicité :

1.  Détermination de  la période T, de la longueur d’onde λ et de l’amplitude A de cette onde.

-  Pour déterminer la valeur de la période T, il faut exploiter le graphe donnant l’élongation de l’onde en fonction du temps :

- y = g (t).

-  Graphe y = g (t) : il met en évidence la périodicité temporelle.

-  Période T de l’onde :

-  T ≈ 20 s

-  Amplitude de l’onde :

-  A ≈ 40 cm

-  Pour déterminer la valeur de la longueur d’onde λ, il faut exploiter le graphe donnant l’élongation de l’onde en fonction de la distance  :

- y = f (x).

-  Graphe y = f (x: il met en évidence la périodicité spatiale.

-  Longueur d’onde λ de l’onde :

-  On remarque que :

-  2 λ ≈ 300 m  =>  λ ≈ 150 m 

-  Amplitude de l’onde :

-  A ≈ 40 cm

2.  En déduire la célérité de cette onde.

-  On utilise la relation fondamentale :

-  λ  = v . T

-  On en déduit la valeur de la célérité v de l’onde :

-   

Calculer une longueur d’onde :

La courbe suivante est l’enregistrement du son produit par un diapason.

Les sons se propagent dans l’air avec une célérité de 345 m . s^–1.

-  Graphe :

1.  Déterminer la période et l’amplitude de l’onde.

2.  En déduire sa longueur d’onde.

Calculer une longueur d’onde :

-  Célérité du son dans l’air :

-  v = 345 m . s^–1.

-  Graphe :

1.  Détermination de  la période T et l’amplitude de l’onde A.

-  Période T du son émis par le diapason :

-  Exploitation graphique :

-  8 T ≈ 18,0 ms

-  T ≈ 2,25 ms

-  On peut en déduire la valeur de la fréquence du signal sonore :

-   

-  La fréquence du La3 est de 440 Hz.

-  La valeur trouvée pour la période est cohérente.

-  Amplitude du signal sonore :

-  A ≈ 200 mV

2.  Valeur de la longueur d’onde λ :

-  On utilise la relation fondamentale :

-  λ  = v . T

-  λ  ≈ 345 × 2,25 × 10^–3

-  λ  ≈ 0,776 m

Le Poisson-clown :

Le poisson-clown partage avec la morue, le grondin ou le Saint-Pierre la capacité d’émettre des sons comme l’attestent les recherches d’E. Parmentier,

enseignant à l’Université de Liège. La cohabitation entre poisson-clown et anémone est illustrée dans le film Le monde de Némo dans lequel Marin,

le poisson-clown père, communique avec Némo, son fils, en émettant des sons.

1.  La période du son émis par Marin est égale à 3,5 ms. Vérifier que le sons émis par

Marin appartient au domaine des sons audibles par les humains.

2.  La longueur d’onde du son émis est égale à 5,32 m. en déduire la célérité du son émis par Marin dans l’océan.

3.  Une anémone est située à une distance d égale à 5,0 m de Marin. Le son émis par Marin est reçu avec un retard Δt = 12 ms par Némo.

La célérité du son est supposée constante. Némo peut-il être caché dans l’anémone ?

Côté maths :

Un ressort  est soumis à une déformation périodique sinusoïdale :

On filme la propagation de ces ondes périodiques le long d’un ressort.

Après analyse du pointage vidéo du déplacement d’un point du ressort au cours du temps, on dispose,

d’un tableur, d’une série de valeurs (tableau A).

La grandeur x est l’élongation d’un point du ressort.

A.  Tableau :

B.  Représentation graphique :

Le déplacement, autour de sa position de repos initiale, d’un point P du ressort est repéré par son élongation x en fonction du temps :

-   

1.  Choisir les bonnes affirmations :

A.  Le point du ressort se déplace de 10 cm autour de sa position initiale.

B.  Le point du ressort se déplace de 20 cm autour de sa position initiale.

C.   

D.   

E.   

2.  Tableau de valeurs et graphe

a.  Reproduire et compléter les cases vides du tableau A en utilisant l’expression correcte de x (t).

b.  Vérifier que les points appartiennent à la courbe du graphique B.

Côté maths :

1.  Choix des bonnes affirmations :

A.  Le point du ressort se déplace de 10 cm autour de sa position initiale.

-  Exploitation de la courbe du graphique B :

-  L’amplitude A :

-  A = 10 cm

-  Le point P du ressort se déplace de 10 cm autour de sa position initiale

B.  Le point du ressort se déplace de 20 cm autour de sa position initiale.

-  Déplacement de crête à crête :

-  A_CC = 2 A = 20 cm

 C.   

-  Exploitation du graphe :

-  Cette formule ne convient pas car l’amplitude A de l’onde périodique vaut 10 cm et non 5 cm.

-  De plus la période du signal T = 0,5 s.

 D.   

-  Cette formule ne convient pas l’amplitude est bonne mais la période non.

E.   

-  Cette formule convient : la période est bonne  T = 0,5 s, de même que l’amplitude du signal A = 10 cm.

-  La phase à l’origine vaut bien

-  Au temps t = 0 s, x (0) = 0, puis les valeurs sont négatives.

-  On peut retrouver la valeur de la phase à l(origine des dates en prenant une valeur du tableau :

-  À l’instant t = 0,10 s, la valeur de l’élongation x (0,1) = – 9,5 cm

-   

-  Première valeur :

- 

-  φ ≈ π / 2 ≈ 90 °

-  Cette valeur est correcte.

-  Deuxième valeur :

-   

-  φ ≈ – 1,3 π  ≈ 234 °

-  Cette solution ne convient pas.

2.  Tableau de valeurs et graphe

a.  Tableau A en utilisant l’expression correcte de x (t).

-  Tableau de valeurs :

-   

-   

 b.  Vérification  des points.

-  Graphe :

-  Les points P(0,0), P (0,2) et P (0,4) appartiennent bien à la courbe.

Le Télémètre à pointage laser :

Une revue de bricolage annonce « Télémètre à ultrasons 40 kHz à faisceau lumineux ».

Un acheteur se demande si la mesure se fait grâce à la réflexion des ultrasons ou bien grâce à la réflexion de la lumière.

Pour vérifier, il relie l’émetteur du télémètre à un système d’acquisition informatisé.

Puis il place un récepteur ultrasonore et un récepteur de lumière à une distance d égale à 5,1 m de l’émetteur du télémètre.

Les récepteurs sont également reliés au système d’acquisition.

Les signaux obtenus ont été décalés verticalement pour une meilleure visibilité.

1.  À quoi correspondent les variations du signal :

-  Associé à la courbe rouge ?

-  Associé à la courbe violette ?

-  Associé à la courbe bleue ?

2.  On zoome sur une partie de l’acquisition afin de pouvoir effectuer des mesures précises.

-  Calculer la célérité du signal de mesure. Confirmer que le télémètre utilise des ultrasons pour mesurer les distances.

3.  Quel est le rôle du laser ?

Célérité d’une onde ultrasonore :

On souhaite connaître la célérité d’une onde ultrasonore qui se propage dans l’air.

On réalise le montage ci-dessous :

Pour une certaine position des récepteurs, on obtient l’oscillogramme suivant :

Les sensibilités verticales des deux voies de l’oscilloscope sont identiques.

La courbe rouge correspond au signal du récepteur R₁ et la courbe bleue à celui du récepteur R₂.

Lorsque les récepteurs sont à égale distance de l’émetteur, les deux courbes sont confondues.

Le récepteur R₁ restant fixe, on éloigne le récepteur R₂ le long de l’axe (D) en comptant le nombre de fois où les abscisses des maxima sont confondues.

Lorsque la distance d est égale à 8,5 cm, les abscisses des maxima se sont retrouvées confondues 10 autres fois.

1.  Calculer la période T des ondes ultrasonores à partir de l’oscillogramme.

2.  Déterminer la longueur d’onde λ de l’onde ultrasonore à partir de la distance d.

3.  Rappeler la relation entre la longueur d’onde λ et la période T de l’onde.

4.  Calculer la célérité v de l’onde ultrasonore dans l’air.