Sl 2 : Propagation du son
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SL 2 1 BAC PROFESSIONNELLE COMMENT UN SON SE PROPAGE T-IL ? I LE SON SE PROPAGE T-IL DANS N’IMPORTE QUEL MILIEU ? •Un réveil est placé sous une cloche à vide en verre. Lorsque le réveil sonne, la sonnerie est perceptible à l’extérieur de la cloche, le verre et l’air transmettent les sons. Lorsque le vide est fait à l’intérieur de la cloche, en l’absence d’air, aucun son n’est perceptible. La propagation du son nécessite un milieu matériel. •Tant que le réveil sonne, les cloches vibrent. À leur contact, les molécules présentes dans l’air effectuent des mouvements de va-et-vient sur une faible distance autour de leur position moyenne, puis elles communiquent ce mouvement à leurs voisines. L’onde sonore ainsi créée se propage de proche en proche dans toutes les directions. Les molécules sont successivement écartées, puis rapprochées les unes des autres, il se crée ainsi des variations locales de pression dans tout l’espace autour de l’émetteur sonore. Lorsqu’elles atteignent l’oreille, ces variations de pression font entrer le tympan en vibration, permettant ainsi la perception des sons. L’oreille est un récepteur sonore. À l’aide du document, complétez le texte suivant. a) Un son ne se propage pas dans le ……….., la présence d’un ………… ………… est indispensable à la transmission des sons. b) Autour d’un ……………….. sonore, les ……………………. présentes dans l’air entrent en vibration ; au cours de ce mouvement, elles viennent heurter leurs voisines, qui se mettent également à …………………. L’onde sonore ainsi créée se propage dans toutes les …………………. Les vibrations des molécules engendrent des variations de …………………... c) Lorsqu’elles nous parviennent à l’oreille, les vibrations du ………………sont transformées par l’oreille interne en influx nerveux (énergie électrique) qui sera transmis au cerveau par l’intermédiaire du nerf auditif. L’oreille est un …………….. sonore. P CORMERAIS Vitesse du son Page 1 sur 8 LP ROMPSAY II MESURER UNE LONGUEUR D’ONDE Matériel MODE OPÉRATOIR 1. Placez la graduation « 0 » de la règle à la hauteur du haut parleur. 2. Reliez les microphones à leur système d’amplification, puis aux voies 1 et 2 de l’oscilloscope. 3. Réglez la base de temps de l’oscilloscope sur 0,2 ms/division. 4. Réglez le générateur de fonctions pour qu’il délivre un signal sinusoïdal de fréquence 1 000 Hz. 5. Placez les deux microphones A et B à une distance d1 = 20 cm du haut-parleur. 6. Sur l’écran de l’oscilloscope, les deux sinusoïdes sont en phase. Distance entre deux crêtes :…….…. divisions. T = …………. = ………… ms; T = ……………… s. 7. Éloignez le microphone B du haut-parleur, les deux sinusoïdes se décalent, puis sont à nouveau en phase. 8. Notez la distance d2 entre le haut-parleur et le microphone B. d2 = ………………… 9. Calculez la distance d2 – d1. d2 – d1 = ……………….. OBSERVATION • Les deux micros sont à égale distance du haut-parleur, les sinusoïdes sont en …………... • La plus petite distance séparant deux positions successives du microphone pour lesquelles les signaux sont en phase est égale à ………….. Conclusion NCLUSION • La plus petite distance séparant deux positions successives du microphone pour lesquelles les signaux sont en phase est la ………………………….. • La longueur d’onde est désignée par la lettre grecque λ (lambda). λ est mesurée en m. Pour le signal observé : λ = ………... P CORMERAIS Vitesse du son Page 2 sur 8 LP ROMPSAY III MESURER LA CELERITE DU SON DANS L’AIR Réaliser le montage expérimental schématisé ci-dessous - Régler le générateur de fonctions (GBF) : signal sinusoïdal, bouton d'amplitude à mi-course et fréquence 2000 Hz. - Régler l'oscilloscope, pour obtenir trois périodes au plus à l’écran. d1 - Déplacer le microphone afin que l’amplitude du signal observé à l’oscilloscope soit maximale. - Repérer cette position et noter la distance d1 entre le haut-parleur et le microphone. d1 = …………..cm - Déplacer à nouveau le microphone, le long de la règle graduée jusqu'à obtenir deux fois un signal d’amplitude maximal sur l'écran de l'oscilloscope. d2 - Relever et noter la distance d2 entre le haut-parleur et le microphone. d2 = …………..cm - Reporter ces valeurs dans la première colonne du tableau ci-dessous. - À l'aide du GBF, faire varier la fréquence et noter pour chacune les distances d1 et d2 qui permet d'obtenir de nouveau un signal d’amplitude maximale sur l'écran de l'oscilloscope. Compléter le tableau des valeurs f du tableau cidessous : Fréquence f (Hz) 2000 2500 3000 3500 4000 d1 (cm) d2 (cm) (d2- d1) (cm) λ = 2(d2- d1) ( m ) λ f (m/s) P CORMERAIS Vitesse du son Page 3 sur 8 LP ROMPSAY - Dans le repère suivant, placer les points de coordonnées ( λ ; f ) et tracer la courbe ou la droite correspondante. λ - La distance λ varie t elle avec la fréquence f ? oui non Cocher la bonne réponse. - Les grandeurs λ et f sont elles: - proportionnelles - inversement proportionnelles Cocher la bonne réponse. - indépendantes. Le produit λ f conduit à la vitesse de propagation du son c dans l’air appelée aussi célérité. Calculer la valeur moyenne de cette vitesse de propagation du son dans l’air . c = ……………………m/s CONCLUSION v =……………. Le produit ……….……. représente la célérité du son (vitesse) dans l’air. c =………………… La célérité du son est c = ……….….. m/s. La célérité du son dans l’air dépend de la température de l’air. P CORMERAIS Vitesse du son Page 4 sur 8 LP ROMPSAY IV VÉRIFIER LA LOI DE LA RÉFLEXION D’UNE ONDE SONORE 1. Placez l’émetteur à 50 cm du centre O du disque gradué comme indiqué sur le schéma. 2. Placez le récepteur à 50 cm du centre O du disque gradué comme indiqué sur le schéma. 3. Reliez l’émetteur au générateur de fonctions. 4. Reliez le récepteur à la voie 1 de l’oscilloscope. 5. Allumez l’oscilloscope et réglez la base de temps sur le calibre 5 μs/ div. 6. Allumez le générateur de fréquence et réglez-le pour qu’il délivre un signal de fréquence de 40000 Hz. 7. Placez la surface réfléchissante comme indiqué sur le schéma. 8. Réglez le calibre des tensions de manière à ce que la sinusoïde occupe environ la moitié de l’écran. 9. Faites pivoter la surface réfléchissante autour du point O pour visualiser sur l’écran de l’oscilloscope l’amplitude maximale du signal réfléchi. 10. Tracez la position de la surface réfléchissante sur le disque gradué. 11. Tracez en O la normale à la surface réfléchissante. 12. Mesurez les angles d’incidence i et de réflexion i’. OBSERVATION i = 45 ° i’ = …….. Le récepteur reçoit le signal sonore émis par l’émetteur après que le signal se soit réfléchi sur la surface réfléchissante. CONCLUSION Pour une onde sonore, l’angle d’……………….. i et l’angle de ………….. i ‘ sont ……………... V EXERCICES 1° Une onde sonore est émise à 4 m au dessus de la surface de l'eau. Au bout de combien de temps atteindra-t-elle le fond de l'eau situé à 10 m de la surface ? cair = 340 m/s ; ceau = 1500 m/s. 2° L'oscillogramme ci-dessous est celui d'un diapason en vibration. a) Déterminer la période et la fréquence du son émis. Echelle 1 ms / div b) Quelle est la longueur d'onde de ce son ? cair = 340 m/s P CORMERAIS Vitesse du son Page 5 sur 8 LP ROMPSAY 3°a) Déterminer la période d'un son émis sachant que sa fréquence est de 440 Hz. b) Déterminer la longueur d'onde du son émis sachant que la célérité du son est c = 340 m/s. 4° A l'aide d'un microphone relié à un oscilloscope, on étudie un son. On obtient sur l'écran cette courbe périodique. La base de temps pour l'obtention de cette image étant réglée sur 0,20 ms/cm a) Calculer la période de ce son b) Calculer la fréquence de ce son. c) Calculer la longueur d'onde dans l'air, sachant que la célérité du son dans l'air, dans les conditions de l'expérience, est v = 330 m/s. 5° Un navire est muni d'un sonar capable d'émettre et de détecter des ultrasons de longueur d'onde comprise entre 1 et 10 cm. a) il émet vers le fond un signal bref. Celui ci est détecté au bout d'un temps t = 0,25 s après son émission. La célérité du son dans l'eau de mer est c = 1530 m/s. a) Calculer la profondeur h de la mer à l'endroit où se situe le navire. b) Un dauphin émet des ultrasons de fréquence comprise entre 16 000 Hz et 100 000 Hz. Calculer les longueurs d'onde limites correspondantes. L’animal pourra t il être détecté par le sonar du navire ? 6° Pour repérer les obstacles, les chauves- souris émettent des salves d'ultrasons. Les ultrasons sont des signaux sonores dont les fréquences sont supérieures à 20 kHz. a) Une chauve-souris perçoit l'écho de sa salve 0,5 s après l'avoir émise. A quelle distance de l'obstacle se trouve-t-elle ? c = 340 m/s b) La longueur d'onde du signal émis est voisine de la précision avec laquelle une chauve-souris repère un obstacle. Une chauve-souris émet un signal de fréquence 100 kHz. Calculez la longueur d'onde du signal émise indiquez la précision avec laquelle la chauve-souris localise l'obstacle. 7° L'échographie est une méthode d'imagerie médicale utilisant des ultrasons. Les ultrasons se propagent dans le corps humain en subissant des; réflexions partielles aux frontières entre les tissus. Le traitement informatique des ondes sonores réfléchies permet d'obtenir des images d'organes internes ou de fœtus. La sonde utilisée au cours d'une échographie émet des ultrasons de fréquence 5 M Hz. La célérité des ultrasons dans les tissus explorés est v = 1530 m/s. a) Quelle est la longueur d'onde des ultra-sons utilisés? b) L'organe examiné est situé à 10 cm de la sonde émettrice. Quelle est la durée entre l'émission du signal ultrasonore et la réception du signal réfléchi? 8° Le graphique ci-dessous représente l'oscillogramme d'une onde sonore se propageant dans le granit. Déterminez la période de l'onde sonore (calibre de la base de temps: 0,02 ms/div). Calculez la fréquence de l'onde sonore. La célérité du son dans le granit est v= 3950 m/s. Déterminez la longueur d'onde de l'onde sonore. 9° le sonar utilise la réflexion des ultrasons. Un émetteur envoie une onde ultrasonore qui se réfléchie au fond de l’eau et revient à un récepteur situé sur le bateau. L’enregistrement suivant permet de mesurer la durée entre l’émission et la réception de l’onde émise par le bateau sur un fond de profondeur connu p = 114 m. P CORMERAIS Vitesse du son Page 6 sur 8 LP ROMPSAY a) Quelle est la distance d parcourue par l’onde ultrasonore entre l’émission et la réception b) Quelle est la durée écoulée entre l’émission de l’onde et sa réception ? c) Retrouver par un calcul que la vitesse des ultrasons dans l’eau est d’environ 1500 m/s d) Un sonar permet de repérer la position d’un banc de poissons Trouver, à l’aide de l’enregistrement ci-contre, à quelle profondeur p se trouve le banc de poisson et quelle est la profondeur de la mer à cet endroit-là 10° La chauve-souris possède un véritable sonar naturel : elle émet des impulsions sonores, de fréquence pouvant atteindre 100 kHz, qu’elle réceptionne après réflexion sur les obstacles. Une chauve-souris émet une impulsion sonore alors qu’elle se trouve à 2,0 m d’un mur et qu’elle se déplace vers cet obstacle avec une vitesse de 5,0 m.s-1. 1. Quel type d’ondes sonores une chauve-souris émet-elle ? 2. Si, une fois l’impulsion sonore émise, la chauve-souris continuait son vol en ligne droite horizontalement, au bout de combien de temps atteindrait-elle le mur ? 3. Au bout de quelle durée reçoit-elle un écho ? (La vitesse de l’onde est telle qu’on peut supposer que la chauvesouris n’a quasiment pas avancé entre l’émission et la réception.) 4. Peut-elle éviter le mur sachant que par réflexe naturel son temps de réaction est de 100 ms ? 11° Un émetteur et un récepteur d’ultrasons, placés dans un même milieu, en regard l’un de l’autre et à une distance d = 20 cm, sont reliés à la carte d’acquisition d’un ordinateur. Les graphiques ci-dessous donnent le signal capté par le récepteur lorsqu’une salve ultrasonore a été émise à l’instant t = 0 s. Selon les milieux traversés, on obtient les deux enregistrements des figures a et b ci-dessous. 1. Sans faire de calcul, expliquer, à l’aide des graphiques, dans quel milieu la propagation des ultrasons est la plus rapide. 2. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air et dans l’eau. 12° Une sonde, jouant le rôle d’émetteur et de récepteur, envoie une impulsion ultrasonore de faible durée et de faible puissance en direction du crâne d’un patient. L’onde sonore pénètre dans le crâne, s’y propage et s’y réfléchit chaque fois qu’elle change de milieu. Les signaux réfléchis génèrent des échos qui, au retour sur la sonde, y engendrent une tension électrique très brève. Un oscilloscope relié à la sonde permet la détection à la fois de l’impulsion émettrice et des divers échos P CORMERAIS Vitesse du son Page 7 sur 8 LP ROMPSAY L’oscillogramme obtenu sur un patient permet de tracer l’échogramme ci-dessous : les tensions électriques étant redressées, seule la partie positive de celles-ci est envoyée sur l’oscilloscope ; la durée d’émission de l’impulsion étant très brève ainsi que celle des échos, on observe sur l’écran des pics verticaux : P0, P1, P2, P3. P0 correspond à l’émission à l’instant de date t = 0 s de l’impulsion ; P1 à l’écho dû à la réflexion sur la surface externe de l’hémisphère gauche (G sur le schéma) ; P2 à l’écho sur la surface de séparation des deux hémisphères ; P3 à l’écho sur la surface interne de l’hémisphère droit (D sur le schéma). La célérité des ultrasons dans les hémisphères est v = 1500 m.s-1. a) Quelle est la durée t du parcours de l’onde ultrasonore dans l’hémisphère gauche ainsi que dans le droit ? b) En déduire la largeur L en cm de chaque hémisphère. P CORMERAIS Vitesse du son Page 8 sur 8 LP ROMPSAY
