Le Principe du Sonar But du TP : mesurer des distances en utilisant le principe du sonar I. Vitesse du son et des ultrasons Le son se propage dans l’air, l’eau, les métaux…. à des vitesses différentes. Dans l’air, cette vitesse v=340 m/s, dans l’eau v=1500 m/s alors que dans l’acier v=5000 m/s. a) Si d est la distance parcourue par le son pendant le temps t. Donner l’expression de la vitesse v en fonction de d et t. b) En déduire la relation permettant de trouver d en fonction de v et t. c) Déterminer la distance d parcourue par le son dans l’air en t=3 s d) Les bateaux ou les sous-marins pour mesurer la profondeur des océans n’utilisent pas des sons mais des ultrasons. Quelle différence faîtes-vous entre les 2 ? e) Quels mammifères utilisent des ultrasons pour se déplacer ? II. L’Oscilloscope C’est un appareil qui permet de visualiser sur son écran l’évolution de signaux électriques qui varient très rapidement dans le temps (on peut ainsi mesurer par exemple des temps de l’ordre du microseconde). A l’aide de l’oscilloscope, on peut visualiser l’évolution de 2 tensions au cours du temps : l’une est sur la voie 1, l’autre sur la voie 2. Repérer les bornes d’entrées de ces 2 tensions sur l’oscilloscope par les lettres E1 (à gauche) et E2 (à droite) sur le document. L’écran est divisé en gros carreaux appelés divisions (notées DIV) : Verticalement : axe des tensions. On peut changer l’échelle en modifiant la sensibilité verticale qui s’exprime en Volt/DIV. Repérer ces 2 boutons par S1 (à gauche) et S2 (à droite) sur le document. Horizontalement : axe des temps. On peut aussi changer l’échelle en modifiant la vitesse de balayage qui s’exprime en s/DIV (ou ms/DIV ; µs/DIV). Sur l’oscilloscope, ce bouton correspond à l’indication TIME/DIV (temps par division). Repérer ce bouton par la lettre B sur le document. Réglages initiaux de l’oscilloscope : Réaliser les réglages indiqués sur le document décrivant l’oscilloscope. Vitesse de balayage B : 0,2 ms/div Sensibilité verticale de la voie 1 (S1) : 10 V/div et 50 mV/div pour la voie 2 (S2) Enfoncer la touche DUAL (cela permet de voir les 2 tensions en même temps) Déplacer, à l’aide du bouton repéré Y-POS I, la ligne horizontale au centre de l’écran puis à l’aide du bouton Y-POS II amener la deuxième ligne horizontale à une division au dessus de la précédente (voir schéma ci-contre) Sélecteur TRIG sur DC puis les 2 sélecteurs AC/DC/GD sur DC III. Mesure d’un temps On souhaite mesurer le temps de propagation des ultrasons sur une courte distance. Mettre sous tension le générateur d’ultrasons en utilisant la +15 V tension continue +15 V (borne +15V et la masse noire) masse Régler l’émetteur en mode « Salve » et « courte » d Pour visualiser le signal qui émet les ultrasons, relier l’émetteur (sortie signal) sur l’entrée E1 de l’oscilloscope (utiliser le câble noir avec les 2 fiches métalliques). Emetteur Récepteur Relier à l’aide d’un fil rouge la borne rouge du récepteur à la d’ultrasons d’ultrasons fiche rouge de l’entrée E2 de l’oscilloscope Refaire la même chose avec un fil noir en reliant les 2 bornes noires du récepteur et de l’entrée E2 de l’oscilloscope. Ajuster le bouton « Fréquencemètre » de l’émetteur pour visualiser sur le récepteur un plus grand signal Pour calculer le temps mis par les ultrasons pour aller de l’émetteur au récepteur, 2 méthodes sont possibles : Méthode expérimentale (à l’aide de l’oscilloscope) : Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée a. b. c. d. Faire varier la distance d entre l’émetteur et le récepteur. Expliquer ce que vous observer. Fixer la distance d à 30cm. Dessiner l’écran de l’oscilloscope sur la figure 1 (voir page ci-contre) Mesurer, à l’aide de l’oscilloscope, le nombre de divisions qui sépare le début des 2 signaux. L’oscilloscope étant sur la vitesse de balayage de 0,2ms/div, calculer la durée écoulée (en ms) entre l’émission et la réception du signal. Méthode théorique (par un calcul à l’aide de la vitesse) : a. Connaissant la vitesse v des ultrasons et la distance d à parcourir, exprimer le temps t nécessaire pour parcourir cette distance. b. Sachant que v= 340 m/s (identique à celle du son dans l’air) calculer ce temps (en ms). Le comparer au précédent. IV. Le sonar +15 V principe : Un sonar est constitué d’un émetteur et d’un récepteur. Il permet de détecter un objet éloigné (navire, banc de poisson, fond de la mer …). masse Les ultrasons produit par l’émetteur viennent se réfléchir sur un obstacle qui renvoie le signal vers le récepteur. expérience : Reprendre l’émetteur et le récepteur précédent (ne rien débrancher) puis les placer côte à côte en direction du fond d’une boite couchée. a. Dessiner: sur la figure 2 ci-dessous l’écran de l’oscilloscope observé. Exploitation b. En utilisant l’oscilloscope, mesurer le temps nécessaire aux ultrasons pour parvenir au récepteur depuis l’émetteur. c. En déduire la distance d de la profondeur de la boite. Complément (pour ceux qui ont fini) : Placer à l’intérieur de la boite un crayon posé à la verticale puis observer le signal du récepteur. Commenter. Dessiner l’écran de l’oscilloscope sur la figure 3. Calculer la position de l’objet par rapport au fond de la boite. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée d Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Exercice : mesure d’un temps à l’aide de l’oscilloscope L’écran de l’oscilloscope est divisé en division carrée : La vitesse de balayage Vb est le temps que met le spot lumineux à parcourir une division. Cette vitesse peut-être modifiée. Elle s’exprime en s/div ou ms/div ou µs/div Ex : Vb=0,2s/div ; Vb=5 ms/div ; Vb=50 µs/div Pour mesurer le temps mis par le spot pour aller d’un point A à un point B de l’écran, il faut connaître le nombre de division x qui sépare A de B puis multiplier par la vitesse de balayage : temps t=x.Vb Pour avoir une mesure la plus précise possible, les divisions sont découpées à l’aide de petits traits qui partage la division en …. segments égaux. Le segment correspond à …… de division. Application : Mesurer dans chacun des cas le temps qui sépare les points A et B B A B A Vitesse de balayage : 0,2 s/div Vitesse de balayage : A B Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée A B 50 ms/div Vitesse de balayage : 0,5 µs/div Vitesse de balayage : 1 ms/div L’oscilloscope Avant toute utilisation, vérifier les réglages suivants : Tous les bo0utons doivent être en position relâchée Les boutons rouges «cal » (repère 1) doivent être en butée dans la position (repère 2) indiquée sur la façade (si le sigle est dirigé vers la gauche, vérifié alors que les 3 boutons « cal » arrivent en butée, sans forcer, quand on les tourne vers la gauche Sélecteur TV-SEP (repéré 3 s’il existe) sur OFF Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée POWER on / off X-Y TIME / DIV TV SEP. ms 3 X-POS .2 .5 1 .1 AT/NORM. µs 50 2 20 5 10 10 5 TR 1 20 INTENS TRIG. 2 1 50 HOLD OFF FOCUS LEVEL .5 .1 .2 TRIG. INP. 100 Vp max µs s CAL. EXT. +/- VOLTS / DIV VOLTS / DIV Y-POS. I .5 .5 .2 .1 1 50 2 1 INVERT 5 20 10 CH. I V 5 .1 mV 50 2 1 5 CAL. INVERT 20 10 10 20 .2 1 VAR. GAIN Y-POS. II 2 10 20 V 5 mV CH. II VERT. INP 1 M II 30 pF VERT. INP 1 M II 30 pF 400 Vp max. CH I / II DUAL ADD 400 Vp max. HOR. TRIG. I/II CHOP HAMEG 203 - 6 Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Le principe du sonar Par groupe d’élèves : Un émetteur et un récepteur JEULIN Un rail gradué Une alimentation +15V Câble BNC-BNC Une boite (genre boite à papier photocopie) Un rétroprojecteur Un oscilloscope HAMEG (203-6 si possible) Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée TP 1 LES ONDES ULTRASONORES La vibration des cordes vocales, ou celle de la membrane d’un haut-parleur, engendre des ondes sonores. L’oreille humaine perçoit les sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20000 Hz environ. Les ultrasons sont des ondes sonores inaudibles pour l’oreille humaine. La fréquence des ultrasons est supérieure à 20000 Hz. Un émetteur d’ultrasons émet une onde ultrasonore qui reproduit fidèlement la tension électrique appliquée à ses bornes. Un récepteur ultrasonore transforme l’onde ultrasonore, à l’endroit où il est situé, en une tension électrique qui reproduit fidèlement l’onde ultrasonore. salve : signal bref dont l’allure est la suivante : L’émetteur à ultrasons peut émettre : des salves d’ultrasons (voir 1) des ondes périodiques (voir 2) I. Emission de salves : mesure de la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air 1 - Mise en marche de l’émetteur et visualisation des signaux émis. Alimenter l’émetteur avec une tension continue de 12 V. Visualiser le signal de l’émetteur en reliant les bornes test et masse de l’émetteur à la voie CH1 de l’oscilloscope. Régler la base de temps sur 2 ms/div et la sensibilité sur 5 V/div. Régler l’émetteur de façon à obtenir des salves rapides Régler le bouton rapport cyclique du boîtier émetteur de façon à obtenir des salves étroites sur l’écran. 2 - Visualisation des signaux reçus par les récepteurs. Placer les deux récepteurs, côte à côte, à environ 25 cm de l’émetteur. Relier les bornes test et masse de l’émetteur à la borne EXT de l’oscilloscope. Enfoncer la touche ALT et la touche EXT (choisir EXT dans le menu SOURCE de déclenchement ). Régler le balayage sur 0,2 ms/div. Relier les récepteurs aux voies CH1 et CH2 de l’oscilloscope (sensibilité : 0,2 V/div). Décaler verticalement les deux courbes visualisées sur l’oscilloscope. Déplacer les deux récepteurs, toujours côte à côte, pour que le signal, qu’ils reçoivent, commence sur un repère vertical de l’écran (4° carreau en partant de la gauche). QUESTIONS : a) Faire un schéma du dispositif expérimental b) Proposer une méthode pour déterminer la vitesse des ultrasons. c) Mettre en pratique cette méthode. d) Représenter l’allure des deux signaux obtenus. e) Réaliser trois autres mesures de la vitesse des ultrasons à partir des indications du professeur. f) Déterminer la valeur moyenne de la vitesse des ultrasons à partir des mesures expérimentales II. Emission d’ondes périodiques 1- Introduction : afin d’illustrer les propriétés d’une onde périodique, réaliser l’activité « ola ». 2- Avec des ultrasons Montage : Placer le récepteur sur un rail. Placer l’émetteur en face du récepteur . Relier le GBF à l’émetteur. Régler le GBF : signal sinusoïdal ; fréquence : 39,8 kHz Visualiser le signal de l’émetteur sur la voie CH1 de l’oscilloscope et régler l’amplitude à environ 3V. Visualiser le signal du récepteur sur la voie CH2. Noter les réglages de l’oscilloscope (sensibilité et balayage) QUESTIONS : a) Représenter l’allure des courbes. b) Comparer les courbes obtenues (forme, période). c) Mesurer la période du récepteur et en déduire sa fréquence. d) Eloigner le récepteur. Que constatez- vous ? e) Repérer des positions pour lesquelles l’émetteur et le récepteur sont en phase ( en vous aidant de la question 2a de l’activité hola ). f) Par analogie avec la hola ( question 2b ), déterminer la distance séparant ces positions. Pour une onde sinusoïdale, cette distance est appelée longueur d’onde. g) En utilisant la relation obtenue à la question 3d de la hola, calculer la longueur d’onde en utilisant la vitesse des ultrasons déterminée dans la 1° partie du TP. Conclure. Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Niveau : seconde Durée : 40 min. Sujet : Principe du sonar étude de la vitesse du son avec un oscilloscope Fiche n° 1 : DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX PROFESSEURS Dans ce sujet on demande à l’élève de : déterminer la vitesse des ultrasons dans l’air ; réaliser un montage illustrant le principe du sonar et d’en déduire une distance. Les manipulations proposées permettent d'évaluer les savoir-faire expérimentaux Compétences suivants : évaluées utiliser un oscilloscope « préréglé » pour mesurer une durée ; suivre un protocole et utiliser le matériel prescrit. Précaution de sécurité : tous les appareils connectés au secteur sont branchés avant Préparation du l’arrivée de l’élève. poste de travail Remettre l’oscilloscope dans le même état de réglage initial entre deux séries d’évaluation. Émetteur en mode salves (ou à défaut un générateur de tension créneau réglé sur 100Hz) branché sur la voie 1 de l’oscilloscope. Le générateur sera déjà branché à l’émetteur. Récepteur (débranché) face à l’émetteur. Réglages : base de temps (0,5 ms/div.), sensibilité de la voie 1, couplage DC, synchronisation et mode Dual. Vérifier que les deux voies et la base de temps ne sont pas décalibrées. Dérégler la sensibilité de la voie 2 tout en conservant le signal à l’écran. Compléter la fiche n°3 avec les numéros de la notice de l’oscilloscope « bouton n°.…. » ou placer des pastilles numérotées sur les boutons. Changer éventuellement « voie 1 » et « voie 2 » en « voie X » et « voie Y ». Il est prévu deux appels de la part de l’élève : Déroulement de lors du premier appel, le professeur vérifie que l’élève a réalisé le montage l'épreuve décrit et a fait une bonne lecture du nombre de divisions ; lors du deuxième appel, le professeur vérifie que l’élève a réalisé le montage décrit et a fait une bonne lecture du nombre de divisions et sait en déduire L. On utilisera la grille d’évaluation sur laquelle figurent les points correspondant à chaque type de compétences expérimentales à évaluer. Notation Si lors d’un appel l’élève n’a pas réussi à réaliser le travail demandé, le professeur lui donne la solution. Les points de la question ne lui sont pas attribués. Démarche Ce TP, qui concerne la première partie du programme de seconde, doit être précédé d’une ou plusieurs séances, durant lesquelles les élèves auront appris à se servir d’un oscilloscope. Dans cette optique il est possible de le placer après le chapitre sur le temps. Consignes à donner aux élèves oralement en début de séance : lire le but de la manipulation, et passer rapidement à la partie « travail à effectuer » ; préciser aux élèves de ne pas attendre sans rien faire lors des « appels professeur » : leur conseiller de compléter le début de la feuille de réponses. Fiche n° 2 : LISTE DU MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU PERSONNEL DE LABORATOIRE Pour chaque poste : un émetteur d’ultrasons et son alimentation (salves ou tension en créneau) ; un récepteur d’ultrasons ; un oscilloscope bicourbe et une notice comportant la liste des boutons ; Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée deux fiches BNC, 3 fils rouges et 3 noirs ; un écran rigide (carton, bois, métal, PVC…) pour la réflexion des ultrasons ; mètre ruban ou grande règle graduée ; le schéma (oscillogramme avec le principe de la détermination du retard) situé sur la feuille d’énoncé sera adapté au matériel utilisé pour être le plus proche possible de la situation observée. Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Niveau : seconde Durée : 40 min. Sujet : Principe du sonar étude de la vitesse du son avec un oscilloscope Fiche n°3 : ÉNONCÉ DESTINÉ À L’ÉLÈVE Ce sujet est accompagné d'une feuille de réponses individuelles sur laquelle les résultats doivent être consignés. But de la manipulation : Etudier la propagation des ultrasons et utiliser leur réflexion sur un obstacle pour déterminer la distance à laquelle se situe l’obstacle (principe du sonar et de l’échographie). Travail à effectuer : Émetteur 1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l’air d 1.1. Connexion à l’oscilloscope et visualisation d’une tension : Récepteur L’émetteur est relié au générateur. Placer le récepteur à la distance d = 60,0 cm de l’émetteur, bien en face de lui. L’émetteur est déjà connecté à la voie 1 de l’oscilloscope de manière à visualiser sur l’écran de l’oscilloscope la tension appliquée aux bornes de cet émetteur. Ne pas toucher à la sensibilité de la voie 1 ni à la base de temps qui sont déjà réglées. Vous ne devez utiliser que les boutons dont les n° sont indiqués ! Connecter le récepteur à l’oscilloscope de manière à visualiser la tension aux bornes du récepteur sur la voie 2. Ajuster la sensibilité de la voie 2 (bouton V/div. : bouton n°….. de la notice) afin d’observer la tension aux bornes du récepteur avec la meilleure précision possible. Décaler verticalement les 2 signaux afin qu’ils ne soient pas superposés : voir schéma ci-contre (boutons n°….. et n°….. de la notice). Nombre x de divisions 1.2. Mesure d’une durée sur un oscillogramme : Mesurer sur l’écran le nombre x de divisions séparant le début de l’émission d’une salve et le début de sa réception (le principe de la mesure est donné sur le schéma ci-dessus). Le résultat sera donné sur la fiche de réponse avec deux chiffres significatifs. Appel n°1 : appeler le professeur pour valider les réglages et faire vérifier la valeur obtenue. On ne modifie plus ni les réglages ni les branchements. Compléter la feuille de réponses parties 1.2. et 1.3.. 2. Réalisation du sonar Récepteur Émetteur L 2.1. Réalisation du montage : Réaliser le montage correspondant à la figure ci-contre. Émetteur et récepteur sont maintenant disposés côte à côte le plus proche possible. Un plan réflecteur est disposé face à eux, à une distance L comprise entre 35 cm et 45 cm. 2.2. Détermination de la durée de l’aller-retour : Mesurer sur l’écran le nombre x’ de divisions séparant le début de l’émission d’une salve du début de sa réception. Appel n°2 : appeler le professeur pour vérifier le montage et la mesure. Compléter la feuille de réponses parties 2.2. et 2.3.. Eteindre les appareils et débrancher le récepteur. Remettre la feuille de réponses au professeur. Ce document doit rester sur la paillasse. Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Niveau : seconde Sujet : Principe du sonar étude de la vitesse du son avec un oscilloscope Fiche n°4 : RÉPONSES DE L’ÉLÈVE Nom : Prénom : N° DE POSTE : CLASSE : Notes : - épreuve pratique : - réponses aux questions : Note sur 20 : DOCUMENT À COMPLÉTER PENDANT L'ÉPREUVE ET À RENDRE AU PROFESSEUR 1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l’air 1.2. Mesure d’une durée sur un oscillogramme : Nombre de divisions lues : x = ………… divisions. Indiquer la base de temps (balayage) sélectionnée (bouton n° …..) : B =……….. /div. En déduire la durée en seconde nécessaire à la salve d’ultrasons pour aller de l’émetteur jusqu’au récepteur et donc pour parcourir d = 60,0 cm. = B . x = ………s Donner ce résultat en écriture scientifique : = ..…………s 1.3. Exploitation des mesures : détermination de la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air Donner l’expression littérale de la vitesse v de propagation des ultrasons en fonction de la distance parcourue d et de la durée du parcours v =…………….. En déduire la valeur numérique de la vitesse des ultrasons dans l’air en m.s –1. On donnera le résultat avec le nombre correct de chiffres significatifs : v = …………. 2. Réalisation du sonar 2.2. Détermination de la durée de l’aller-retour : Nombre de divisions lues : x' = ……….…divisions En déduire la durée ’ en seconde d’un aller-retour d’une salve d’ultrasons depuis l’émetteur jusqu’au récepteur : ’ =………………s 2.3. Détermination de la distance L : À l’aide de la valeur de la vitesse v des ultrasons obtenue en 1.3. et de la durée ’ mesurée en 2.2., déterminer la distance L en suivant les étapes ci-dessous : donner l’expression de la distance D parcourue par les ultrasons, depuis l’émetteur jusqu’au récepteur, en fonction la vitesse v et de la durée ’. D =………………… donner l'expression de la distance L séparant l’ensemble émetteur récepteur de l’obstacle réfléchissant en fonction de la distance parcourue D : L = ……………… donner l'expression de L en fonction de la vitesse v et de la durée ’ : L = ………… application numérique : calculer la valeur de L =………………….. Cette valeur est-elle cohérente avec le montage ? …………….……………………… 2.4. Principe du sonar : Expliquer en quelques mots comment l’équipage d’un bateau peut déterminer la distance d’un fond marin en utilisant le principe étudié : …………..……..………… ………………………………………………………………………………………… Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ..../8 Total sur 8 points Niveau : seconde Sujet : Principe du sonar étude de la vitesse du son avec un oscilloscope Fiche n°5 : BARÈME DESTINÉ AU PROFESSEUR Evaluation pendant la séance (fiche n°6) …./12 1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l’air 1.2. Mesure d’une durée sur un oscillogramme : Lecture de x avec deux chiffres. Base de temps B avec l’unité correcte. Calcul de avec l’unité correcte. Résultat donné en l’écriture scientifique avec l’unité correcte. 1.3. Exploitation des mesures : détermination de la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air Expression de la vitesse : v = Error! Résultat du calcul de v avec comme unité le m.s-1 et deux chiffres significatifs. 2. Réalisation du sonar 2.2. Détermination de la durée de l’aller-retour : Lecture de x’ avec deux chiffres. Calcul de ’ avec l’unité correcte (résultat en écriture scientifique non exigé). 2.3. Détermination de la distance L : Expression de la distance totale : D = v. ’ Expression de la distance : L = Error! Expression de L en fonction de v et ’ : L = v. Error! Application numérique avec 2 ou 3 chiffres significatifs. Comparaison du résultat obtenu avec une mesure directe de la distance avec un mètre ruban ou une règle. 2.4. Principe du sonar : Adaptation de la méthode au cas d’un bateau utilisant un sonar pour déterminer la profondeur d’un fond marin. Les réponses doivent contenir les notions suivantes : - Un émetteur et un récepteur d’ultrasons sont embarqués dans le bateau. - L’équipage détermine la durée d’un aller-retour entre le bateau et le fond marin et en déduit la profondeur. Total sur 8 points Total Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée …../8 ……/20 Chaque () compte 0,5 point Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée Sujet : Principe du sonar, étude de la vitesse du son avec un oscilloscope Fiche n° 6 : GRILLE D'ÉVALUATION DURANT LA SÉANCE DESTINÉE AU PROFESSEUR SONAR 1 N° poste : 2 3 4 5 6 7 8 Nom ou prénom Appel n°1 Vérification du montage et de la première mesure Mise en place du dispositif ultrasons (récepteur en face de l’émetteur à la distance d) Branchement du récepteur l’oscilloscope Réglage de la sensibilité de la voie 2 de l’oscilloscope décalage des 2 signaux Relevé de la base de temps à Mesure sur l’écran du nombre de divisions x Appel n°2 Vérification du deuxième montage et de la seconde mesure Emetteur, récepteur et écran correctement montés. Réalisation de la mesure de x’ Appareils éteints et récepteur débranché. NOTE OBTENUE sur 12 points Chaque () compte 0,5 point Académie de Paris- Groupe de professeurs formateurs de lycée