- enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA17
AUTEUR : Jean-Baptiste Schuermans
Fiche d’expérience 1
Etudier les ondes mécaniques
à l’aide d’une échelle de perroquet
Objectifs d’apprentissage
Percevoir expérimentalement les notions de fréquence/période, longueur d’onde, de vitesse, d’ondes
progressives ou entretenues, de réflexion et de modes stationnaires.
Description générale
L’échelle de perroquet (ou ondoscope) permet de produire et d’étudier des ondes mécaniques se
déplaçant à faible vitesse dans un milieu à une dimension. Il est possible d’en fabriquer soi-même à
petit coût. Sa taille (deux mètres de long ou davantage) en fait un instrument intéressant pour l’étude
des ondes avec une classe entière.
Matériel



Une échelle de perroquet.1
Un chronomètre digital.
Un mètre ruban.
Procédure : notion d’onde
1. Générer une impulsion en provoquant le brusque déplacement d’un barreau proche d’une des
extrémités de l’échelle. Observer comment la déformation se propage, de barreau en barreau, le
long de l’échelle (onde progressive).2
2. Imposer un mouvement de va-et-vient continu au premier barreau : un train de vagues se déplace
vers l’autre extrémité (onde entretenue). Si le mouvement imposé est régulier, on obtient une
série de vagues régulières (onde périodique).
3. Les ondes sont réfléchies à l’autre extrémité de l’échelle3 ; l’interférence (constructive ou
destructive) entre les ondes circulant en sens opposé donne naissance à des figures complexes.
1
Si on ne dispose pas d’échelle de perroquet, les expériences ci-dessous peuvent aussi être réalisées en
générant des ondes dans un long ressort que l’on maintient au sol pour que les frottements évitent la réflexion
des ondes à l’extrémité du ressort. Le résultat est toutefois moins spectaculaire.
2
Il peut être utile, pour cette expérience et les suivantes, d’avoir attaché un morceau de post-it ou de ruban de
couleur à quelques barreaux situés à des distances régulières de la source des ondes (par exemple 50, 100, 150
cm) et d’inviter les élèves à comparer les mouvements des barreaux ainsi identifiés avec la source.
3
Certains modèles vendus dans le commerce possèdent un mécanisme permettant d’absorber l’énergie
d’oscillation à une extrémité de l’échelle, de manière à éviter la réflexion des ondes.
Document1
Pour certaines fréquences, on obtient des figures particulières formées de ventres et de nœuds
(ondes stationnaires – ne figurent pas au programme de cette UAA).
Procédure : vitesse d’une onde
4. Provoquer un déplacement (impulsion) à une extrémité de l’échelle. Mesurer le temps de parcours
(pour un aller simple ou un aller-retour) à l’aide d’un chronomètre, et la distance avec un mètreruban. Calculer la vitesse de l’onde.
5. Modifier l’amplitude et la durée de l’impulsion initiale. La vitesse varie-t-elle ?
6. Modifier la tension de l’échelle (en ajoutant du poids au système, ou en exerçant manuellement
une force accrue). La vitesse varie-t-elle ?
Remarques pour le professeur
La vitesse d’une onde ne dépend pas des caractéristiques de l’onde (fréquence, amplitude), mais
uniquement des caractéristiques du milieu (ici : longueur et masse des barreaux, type et largeur de la
bande adhésive, tension dans la bande).
Procédure : fréquence (ou période) d’une onde périodique
7. Provoquer un déplacement périodique à une extrémité de l’échelle. Compter le nombre de cycles
complets effectués en un temps donné. En déduire la fréquence (ou la période).
8. Un observateur posté à l’autre extrémité de l’échelle perçoit-il la même fréquence ?
Remarques pour le professeur
Pour une onde entretenue périodique, la fréquence est le nombre de cycles complets effectués par un
barreau donné par secondes. La période est le temps que met un barreau donné pour effectuer un
cycle complet et revenir à sa position initiale; elle est l’inverse de la fréquence.
Procédure : longueur d’onde d’une onde
9. Provoquer un déplacement périodique à une extrémité de l’échelle. Observer le nombre de
vagues pour la longueur totale de l’échelle ; en déduire la longueur d’une vague (la longueur
d’onde).
10. Modifier la fréquence ; observer comment varie la longueur d’onde.
Remarques pour le professeur
L’onde se déplaçant à une vitesse constante (pour autant que la tension du système reste constante),
la longueur des vagues dépend du rythme auquel les vagues sont produites : elles seront serrées
(petite longueur d’onde) si ce rythme est élevé (grande fréquence), et plus larges (grande longueur
d’onde) si ce rythme est élevé (basse fréquence).
Variantes
11. En utilisant la valeur de la vitesse calculée plus haut, peut-on prédire la longueur d’onde que l’on
obtiendra pour une fréquence donnée ?
Remarques pour le professeur
Connaissant la vitesse (par exemple 2 m/s), on voit aisément que si l’on débute un cycle chaque
seconde (fréquence = 1 Hz = 1 cycle par seconde), la longueur d’un cycle sera de 2 m. Si la
fréquence est de 2 Hz, la longueur d’onde sera de 1 m. Les observations réalisées sur l’échelle
permettent d’induire la formule reliant vitesse, longueur d’onde et fréquence (.f = v).
Développement attendu principalement visé
Commenter une expérience liée à la propagation d’une onde matérielle à l’aide des concepts de
longueur d’onde et de fréquence (C1).
L’élève met en évidence la relation entre la longueur d’onde et la fréquence de vibration de la source.
Document1