Interprétation ondulatoire

TP8 INTERPRETATION ONDULATOIRE
TP8 Spécialité physique 1/3 A. Chaillou
Compétences exigibles mises en jeu lors de ce TP :
Savoir qu’une colonne d’air possède des modes de vibrations dont les fréquences sont liées à sa longueur.
Avec le matériel disponible au laboratoire, savoir mettre en évidence les modes propres de vibration d’une corde et d’une
colonne d’air.
Connaître l’allure de l’onde après réflexion sur une extrémité fixe.
Savoir comment produire un système d’ondes stationnaires ; application à la détermination d’une longueur d’onde.
Connaître et exploiter les relations exprimant la quantification des modes : 2L = n (n entier); f=nv/2L.
Savoir-faire expérimentaux
Avec le matériel disponible au laboratoire,. savoir réaliser et exploiter une expérience d’ondes stationnaires :
- mesure de longueur d’onde,
- mesure d’une célérité,
- mesure des fréquences propres,
- influence des paramètres.
Que se produit-il quand une onde arrive à l’extrémité du milieu de propagation ?
I. REFLEXION D'UNE ONDE SUR UN OBSTACLE FIXE :
( à l’aide du simulateur de MICROMEGA)
 Dans le menu « Corde », choisir : extrémité fixe, masse linéique µ = 100 g · m-1 et tension T = 0,4 N.
 Dans le menu « Outils », choisir : « Démarrer simultanément l'onde, le chronomètre et le graphe » et une durée
d’enregistrement de 10 s.
a) Cas d'une onde solitaire :
 Dans le menu « Onde », choisir : onde solitaire.
 Placer le point bleu à la position x1 = 2,00 m et le point rouge à la position x2 = 6,00 m.
 Cliquer sur « démarrer ».
 À l'aide du graphe et du curseur, comparer pour les ondes incidente et réfléchie :
a. la vitesse de propagation :…………………………………………………………………………………………….
b. le sens de déformation de la corde …………………………………………………………………………………
c. l'amplitude de la déformation. ……………………………………………………………………………………
b) Cas d'une onde sinusoïdale.
 Placer le point bleu à la position x1 = 5,50m et effacer le point rouge.
 Dans le menu « Onde », choisir : onde sinusoïdale de fréquence 2,00 Hz.
 Cliquer sur « démarrer ».
 Cliquer sur « pause » à t = 3 s environ (indication du chronomètre).
a. À l'aide du curseur, déterminer la longueur d'onde . :………………………………..
b. La valeur obtenue est-elle cohérente avec les valeurs de la vitesse de propagation et de la fréquence ?
………………………………………………
 Cliquer de nouveau sur « pause » pour relancer l'animation puis sur « Arrêter » à t = 7 s environ (indication du
chronomètre).
c. Que peut-on dire du point bleu de la corde pendant le laps de temps où l'onde incidente et l'onde réfléchie se
superposent en ce point ? ………………………………………………………………………
.
d. La superposition de l'onde incidente et de l'onde réfléchie donne-t-elle naissance à une onde progressive ?
………………………………………………………………………….….
e. Où doit-on placer le point rouge sur la corde pour visualiser le nœud de vibration le plus proche à gauche du point
bleu ? Même question à droite du point bleu.
………………………………………………………………………………………………………………………..
f. Comparer la distance séparant deux nœuds de vibration consécutifs et la longueur d'onde de l'onde sinusoïdale.
……………………………………………………………………..

TP8 Spécialité physique 2/3 A. Chaillou
 Placer le point bleu à la position x1 = 5,25 m et effacer le point rouge.
 Cliquer sur « Démarrer » puis sur « Arrêter » à t = 7 s environ (indication du chronomètre).
g. Que peut-on dire du point bleu de la corde pendant le laps de temps où l'onde incidente et l'onde réfléchie se
superposent en ce point ?
………………………………………………………………………………………..
h. Où doit-on placer le point rouge sur la corde pour visualiser le ventre de vibration le plus proche à gauche du point
bleu ? Même question à droite du point bleu.
i. Comparer la distance séparant deux ventres de vibration consécutifs et la longueur d'onde de l'onde sinusoïdale.
II. REFLEXION D’UNE ONDE SUR DEUX OBSTACLES FIXES :
a) Cas d'une onde solitaire :
Supposons qu’une onde se propage, sans
atténuation, sur une corde tendue entre deux
points fixes O et O’ distants de L.
Que se produit-il quand l’onde atteint le point
O’ ?
……………………………………………………
……………………………………………………
Que se produit-il quand l’onde réfléchie atteint le
point O ?
……………………………………………………
……..……………………………………………
Compléter les schémas.
Quelle est la période de ce phénomène ?
……………………………………………………
……………………………………………………
III. CAS D’UNE ONDE SINUSOÏDALE :
Si l’onde est sinusoïdale , il existe une succession
de réflexions. Il n’y a pas superposition de deux,
mais d’une multitude d’ondes progressives se
déplaçant avec la même célérité.
Une onde stationnaire ne peut s’établir que s’il y a synchronisation des ondes progressives incidentes et réfléchies.
 A quelle condition en M, deux ondes, l’une incidente et l’autre réfléchie, donneront-elles la même
élongation ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
………………..
 En déduire que la longueur L de la corde impose des valeurs quantifiées aux longueurs d’onde  des ondes
progressives sinusoïdales : 2L = n, n étant un nombre entier. Il s’établit alors une onde stationnaire résonante.
 Retrouver ce résultat en considérant qu’il apparaît alors n fuseaux.
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………
O
O ’
M
O
O ’
M
O
O ’
M
L

TP8 Spécialité physique 3/3 A. Chaillou
IV. VIBRATION D’UNE COLONNE D’AIR
ETUDE EXPERIMENTALE
Oscillations forcées ( aide livre p.46 )
Dispositif micro
Colonne d’air ( résonateur )
tube
haut-parleur ( excitateur )
INTERPRETATION (Aide livre p.59)
Une colonne d’air contenue dans un tube et excitée sinusoïdalement par un haut-parleur, est le siège d’une onde
stationnaire pour laquelle les nœuds et les ventres de vibrations longitudinales sont équidistants de λ/2
Si la colonne d’air est ouverte aux deux extrémités, sa longueur L obéit à la relation L = n λ/2
Dans le cas particulier d’un tuyau fermé à une extrémité un ventre de vibration se trouve à l’extrémité ouverte et
un nœud à l’extrémité fermée
Un nœud de vibration correspond à un ventre de pression
Par analogie avec ce qui se passe avec une corde, l’onde stationnaire résulte de la superposition d’ondes incidentes et
réfléchies
On retrouve ainsi justifiée l’existence des modes propres de vibrations d’une colonne d’air
Dessiner une colonne d’air fermée aux deux extrémités et y indiquer les nœuds et ventres de vibrations.
Même question avec une colonne d’air ouverte à une extrémité.
______________________________________________________________________________________________
ACTIVITES POSSIBLES
Activité 1 :
 Fixer le tube verticalement
 Placer en bas du tube un haut-parleur relié à un GBF de tension sinusoïdale de fréquence 880 Hz
 Choisir une amplitude supportable à l’oreille
 Relier le micro à la voie A de l’oscillo et faire les réglages pour observer le signal à l’écran
 Positionner le micro de façon à avoir à l’écran une amplitude maximale
 Faire varier la fréquence et relever les valeurs pour lesquelles on obtient à nouveau une amplitude maximale
 Questions
1) Le son émis par le haut-parleur est sinusoïdal, en est-il de même pour le son produit par la colonne d’air et reçu
par le micro ? Les fréquences sont-elles les mêmes ?
2) Dans quel rapport sont les fréquences pour lesquelles on obtient à nouveau une amplitude maximale ?
Activité 2
 Reprendre les réglages précédents et une fréquence de 880 Hz
 Placer le micro au fond du tube et le remonter lentement. Observer les endroits d’amplitude maximale ( ventre de
vibration) et d’amplitude nulle ( nœud de vibration )
 Refaire l’expérience avec une fréquence double, puis triple
Questions
1) Pour chaque expérience représenter le tube, les positions des ventres et des nœuds, indiquer la fréquence et le
mode de vibration
2) Les modes de vibration d’une colonne d’air sont-ils quantifiés ? Quelle relation y a-t-il entre les fréquences ?
oscillo
GBF