PHYSIQUE_Ondes et Signaux_ Chap 4 Etude de documents Quelle est la vitesse de propagation du son dans l’air et dans l’eau ? Document 1 : Détermination historique de la vitesse de propagation du son dans l’air L'une des expériences historiques permettant de déterminer la vitesse du son dans l'air a été réalisée par François Arago, Louis Joseph Gay-Lussac et Gaspard de Prony en 1822 près de Paris sur ordre du Bureau des Longitudes. Présenté ci-dessous, l'extrait du traité élémentaire de physique (1836) de Monsieur l'abbé Pinault relate cette expérience. Les deux stations que l'on avait choisies étaient Villejuif et Montlhéry. À Villejuif, le capitaine Boscary fit déposer, sur un point élevé, une pièce de six 1, avec des gargousses2 de deux et trois livres de poudre. À Montlhéry, le capitaine Pernetty fit déposer une pièce de même calibre, avec des gargousses de même poids. Les expériences furent faites de nuit et commencèrent à onze heures du soir, le 21 et le 22 juin 1822. De Villejuif on apercevait très distinctement le feu de l'explosion de Montlhéry et vice versa : le ciel était serein et à peu près calme. La température de l'atmosphère était de 15,9 degrés Celsius. Les coups de canon des deux stations opposées étaient réciproques, afin que les résultats ne fussent pas influencés par le vent. Chacun des observateurs notait sur son chronomètre le temps qui s'écoulait entre l'apparition de la lumière et l'arrivée du son. On peut prendre 54,6 secondes pour le temps moyen que le son mettait à passer d’une station à l’autre, sous une pression de 756,4 millimètres de mercure, l’hygrométrie marquant 72°. Les deux canons étaient à une distance de 9 549,6 toises 3. Pièce de canon. Charge de poudre contenue dans une enveloppe de tissu ou de papier au diamètre de la chambre du canon. 3 Unité de longueur ancienne qui correspond à 1,949 m. 1 2 1- Schématiser et légender l’expérience réalisée. 2- Calculer en mètre, la distance d entre Villejuif et Montlhéry. 3- D’après la description qui est faite du protocole expérimental, à quel moment l’observateur déclenche-t-il son chronomètre ? Quelle hypothèse est donc faite sur la propagation de la lumière ? 4- A partir des valeurs mesurées par les expérimentateurs, calculer la vitesse du son dans l’air dans les conditions de l’expérience. Commenter, en revenant sur la réponse à la question3. 5- D’après le texte, indiquer de quel(s) paramètre(s) dépend, à priori, la vitesse du son dans l’air. Document 2 : Mesure historique de la vitesse de propagation du son dans l’eau En 1826, Jean-Daniel Colladon et Charles Sturm reçoivent le Grand Prix de l’Académie des sciences pour leurs travaux donnant une estimation de la vitesse du son dans l’eau. Pour réaliser cette expérience, les deux scientifiques suisses utilisent deux bateaux distants de 13,487 kilomètres sur le lac Léman : À quelques deux cents mètres au large de Rolle, un assistant se tenait dans une barque, à laquelle était suspendue une cloche. Le rôle de cet assistant était d'actionner un long manche terminé par un marteau. Ce marteau permettait de frapper sur une cloche immergée au bout d'une chaîne. Simultanément, un ingénieux système permettait d’abaisser une lance à feu, allumée, et d’enflammer une poudre disposée sur une plaque fixée à la proue du bateau. Colladon, lui, se tenait à équidistance de la côte mais du côté français, au large de Thonon. Dès qu'il percevait le signal lumineux à l'horizon, il enclenchait un chronomètre et se mettait à l'écoute du stimulus. Dans un premier temps en plongeant la tête directement dans l'eau puis, après avoir perfectionné le système, à l'aide d'un cornet dont l'embouchure immergée était fermée par une membrane en tôle. À l'instant où il entendait le signal acoustique, Colladon déclenchait son chronomètre. « 1435 mètres par seconde » : telle est la vitesse du son mesurée dans l’eau sur le Léman. Ce résultat figure dans le mémoire sur la compressibilité des principaux liquides que Colladon et son collègue Charles Sturm remettent à l’Académie des sciences de Paris en 1827. 1. Déterminer à l’aide des données de cette expérience historique la durée Δt écoulée entre l’instant où Colladon enclenchait son chronomètre et l’instant où il l’arrêtait. On conservera 2 chiffres significatifs. 2. D’après le tableau ci-dessous, comment la vitesse de propagation du son évolue-t-elle en fonction de la température de l’air ? 3. Sachant que la température de l’eau du lac était de 8 °C lors de l’expérience de Colladon, la vitesse mesurée par Colladon est-elle en accord avec la tendance indiquée dans la réponse à la question précédente ? 1435 mètres par seconde : telle est la vitesse du son mesurée dans l’eau sur le Léman par Colladon en 1826, au cours de l’une de ses plus célèbres expériences. Ce résultat figure dans le mémoire sur la compressibilité des principaux liquides que Colladon et son collègue Charles Sturm remettent à l’Académie des sciences de Paris en 1827, et qui leur vaudra le grand Prix. La vitesse du son dans l'eau pure, à la température de +8°, fut déterminée à 1435 mètres par seconde, au lieu de 336 mètres dans l'air à +8 degrés" (Figuier, 1884, pp. 82). 4. Déterminer à l’aide des données de cette expérience historique la durée écoulée entre l’instant où Colladon enclenchait son chronomètre et le l’instant où il l’arrêtait. 5. Commenter la précision de cette mesure historique du son. http://www.unige.ch/cyberdocuments/theses2003/BernaschinaF/site/colladon.html La vitesse du son dans l'eau pure, à la température de +8°, fut déterminée à 1435 mètres par seconde, au lieu de 336 mètres dans l'air à +8 degrés" (Figuier, 1884, pp. 82). Depuis l’une des barques première barque, le son était produit par un ingénieux système. Une cloche était immergée dans le lac et frappée par un marteau produisant un signal lumineux au moment où la cloche était frappée. Depuis l’autre barque, expérimentateur voyait l’éclairement dû au signal lumineux, puis percevait le son au moyen d’un grand cornet acoustique immergé dans le lac. commande l’émission simultanée d’un signal lumineux sur le pont du premier bateau et d’un signal sonore sous ce même bateau. A bord du deuxième bateau, un chronomètre est déclenché à la vue du signal lumineux et il est arrêté 9,4 secondes plus tard lorsque le signal sonore atteint ce second bateau. environ 9,1 secondes plus tard es expériences furent faites par Colladon et Sturm en 1828 sur le lac Léman de nuit. Le son était produit par une cloche immergée dans le lac et frappée par un marteau. Un dispositif lié au marteau produisait un signal lumineux au moment où la cloche était frappée. Dans une barque située 13.5 km, l’autre expérimentateur voyait l’éclairement dû au signal lumineux, puis percevait le son environ 9,1 secondes plus tard au moyen d’un grand cornet acoustique immergé dans le lac.Remarque : En fait, la description de cette expérience a été simplifiée par rapport à l’expérience réelle car, du fait de la rotondité de la Terre, les expérimentateurs ne pouvaient pas se voir. Etant donné la distance entre les deux lieux, le signal lumineux devrait être émis au moins à 13,3 m au-dessus du niveau de l’eau pour être perçu directement. Davantage de précisions sur l’expérience figurent sur le site de l’Université de Genève. 1. Préciser à quel instant l’expérimentateur situé sur le second bateau déclenche son chronomètre et à quel instant il l’arrête. Pour une mesure de 1 435 m/s sur 17 km, il a dû lire: 17 / 1,435 = 11,9 secondes. Pour une mesure de 1 435 m/s sur 17 km, il a dû lire: 17 / 1,435 = 11,9 secondes. Pour une mesure de 1 435 m/s sur 17 km, il a dû lire: 17 / 1,435 = 11,9 secondes.
