TP #1 Ondes sismiques - rmspc

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TP 1 Les ondes sismiques
Objectifs : Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection. Extraire et
exploiter des informations sur les sources d’ondes et de particules et leur utilisation, et un dispositif de détection.
I. Principe de fonctionnement d’un sismographe ou sismomètre
Problématique : On cherche à modéliser le fonctionnement d’un sismomètre
Document 1 : Notion d’onde
Une onde désigne un transport d’énergie, sous forme de vibrations, sans transport de matière. Les ondes sont
variées : elles peuvent être mécaniques (son, houle, séismes, …) ou électromagnétiques (micro-ondes, radio,
rayonnements gamma, infra-rouges, ultra-violets, …). Selon la nature de l’onde, le détecteur à employer est
différent : microphone, sismographes, appareils-photo, antennes, etc.
Document 2 : Schéma d’un sismomètre, d’après CEA
Certains sismomètres sont constitués d’une masse assez
lourde, fixée à un bras suspendu par un ressort au-dessus
d’un bâti solidaire du sol. À l’autre extrémité du bras, une
bobine conductrice est plongée dans un aimant, qui repose
sur le bâti. Lorsque le sol tremble, le bâti suit les vibrations
provoquées par le passage des ondes sismiques. Le
mouvement de l’aimant dans la bobine génère une tension
électrique aux bornes de la bobine.
Document 3 : Matériel à disposition
Une bobine, un aimant, un ressort, une potence avec noix et pince, fils électriques, ordinateur, logiciel
d’enregistrement de tensions électriques (Regressi).
S’approprier
1. Comment expliquer que l’expérience fonctionne également, si la bobine est fixe et l’aimant mobile, ou
bien si la bobine est mobile et l’aimant fixe ?
2. En s’inspirant du matériel à disposition, schématiser une expérience qui illustre le fonctionnement du
sismomètre.
Réaliser
3. Mettre en œuvre le dispositif proposé pour détecter des oscillations.
4. Comment détecter l’intensité du séisme à l’aide d’un tel montage ? Proposer et mettre en œuvre un
protocole expérimental.
Analyser
5. Reproduire l’allure des courbes visualisées.
6. Comment qualifie-t-on un tel signal ? Quelle(s) grandeur(s) pourrait-on mesurer pour le caractériser ?
Réaliser les mesures.
Communiquer
7. Résumer le principe de fonctionnement du détecteur étudié en employant, entre autres, les termes
suivants : onde, vibration, ressort, bobine, aimant, tension.
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II. Résolution de problème
Question : Déterminer la localisation de l’épicentre du séisme, lieu de la surface de la
Terre à la verticale du foyer où sont émises les ondes sismiques.
Document 1 : Interview d’une habitante de Brest
« Ce matin j’ai senti d’un coup des vibrations dans ma maison, vers 8h05, les murs ont tremblé et les verres
s’entrechoquaient dans le meuble du salon. C’était inquiétant quand même ! Ça n’a pas duré très longtemps,
remarquez, alors j’ai attendu que ça se calme pour ouvrir mes volets et j’ai vu que mes voisins étaient sortis mais
heureusement, il n’y avait pas de dégât chez eux non plus. À la télé ils ont dit que le séisme avait commencé à 8 h 02
min exactement quelque part en France mais je n’ai pas bien compris d’où il était parti, ni comment ils ont trouvé
ça ! »
Document 2 : Sismogrammes simplifiés des ondes P enregistrés en trois stations sismiques de France ce jour-là
Document 3 : A propos des ondes sismiques
Quand la Terre tremble, les vibrations se propagent à partir du foyer dans toutes les directions. Elles sont
initialement de deux types. Celles qui compriment et détendent alternativement les roches, à la manière d’un
accordéon, et celles plus destructrices qui les cisaillent (…) Les ondes P vibrent dans leur direction de propagation,
elles soulèvent ou affaissent le sol [et voyagent à une vitesse moyenne de 7,0 km par seconde], tandis que les ondes
S vibrent perpendiculairement et nous secouent horizontalement (…) Mais les secousses ne s’arrêtent pas là.
D’autres ondes succèdent à ces premiers ébranlements. En effet la Terre n’étant pas homogène, les ondes P et S
sont réfléchies, réfractées par les différentes couches. Elles peuvent également être guidées par la surface du sol et
former alors les ondes de Rayleigh et de Love. Celles-ci arrivent plus tard et se propagent de manière complexe.
Hélène Le Meur, Les séismes
Document 4 : Carte de France fournie
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NOM :
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Éléments de correction :
I.1. Seul le mouvement relatif de l’aimant par rapport à la bobine compte. Qu’importe qu’il s’agisse de la bobine qui
bouge, ou de l’aimant, tant qu’ils sont en mouvement l’un par rapport à l’autre.
I.2. Il s’agit d’accrocher le ressort à la potence, d’y appendre une masse pour le tendre puis l’aimant, le tout audessus d’une bobine électrique. La tension est mesurée aux bornes de la bobine par l’interface d’acquisition. Pour
rappel, les schémas se font à la règle et au crayon.
I.4. Protocole :
- animer le ressort d’un mouvement important et lancer l’acquisition.
- enregistrer la courbe obtenue ou faire un imprim écran
- recommencer l’opération en animant le ressort d’un mouvement moins important.
- comparer les deux courbes obtenues.
Résultats : la fréquence des oscillations ne change pas, seulement leur amplitude.
I.5. Ne pas oublier de faire figurer le titre des axes, les graduations, le titre du graphe.
I.6. Les signaux obtenus sont périodiques : un motif élémentaire se répète à l’identique à intervalle de temps
régulier. Sur un tel signal, on peut mesurer l’amplitude et la période.
I.7. Lors d’un séisme, les ondes provoquent la vibration du ressort et donc de l’aimant dans la bobine électrique. Une
tension électrique est alors détectée aux bornes de la bobine : elle traduit le mouvement de l’aimant et donc de la
terre.
II.
Au brouillon :
Doc 1 : séisme à 8h02
Doc 2 : début du tremblement à Paris à tp = 8 h 03 min 09 s. Début du tremblement à Brest à tb = 8 h 04 min 02s.
Début du tremblement à Toulouse à tt = 8h 02 min 55 s.
Doc 3 : les ondes P se propagent à une vitesse v = 7 km.s-1.
Doc 4 : l’échelle est de 200 km pour 3,1 cm.
Exemple de réponse rédigée :
Pour localiser l’épicentre du séisme, nous pouvons étudier les 3 sismogrammes enregistrés et trouver, pour chacune
des 3 villes, à quelle distance elle se trouve de lui.
▪ Quelle distance dp existe-t-il entre Paris et l’épicentre ?
L’onde voyage de l’épicentre jusqu’à Paris pendant la durée Δtp = tp – 8 h 02 min = 1 min 09 s = 69s.
Or les ondes voyagent à la vitesse v = 7 km.s-1. Ainsi, les ondes ont parcouru une distance dp = v x Δtp = 7 x 69 = 483
km.
D’après l’échelle de la carte (3,1 cm pour 200 km), nous pouvons tracer sur la carte un arc de cercle de centre Paris
et de rayon rp = 483 x 3,1 / 200 = 7,5 cm. L’épicentre du séisme est localisé sur ce cercle.
▪ En procédant de même pour Brest et pour Toulouse, nous observons que les trois arcs de cercle tracés concourent
au même point, non loin de Grenoble, dans les Alpes.
NB : deux sismogrammes ne suffisent pas car si on ne trace que deux cercles, il y a de grandes chances pour que leur
intersection compte deux points, parmi lesquels on ne saurait dire lequel est l’épicentre. D’où la nécessité d’un 3e.