Physique

CLASSE DE TERMINALE
S
Le : 18 septembre 2013
Durée : 2 h 00
Physique-Chimie
DEVOIR SUR TABLE N° 1
TOUT DOCUMENT INTERDIT.
L’usage de calculatrices scientifiques à mémoire est autorisé.
Les résultats numériques doivent être précédés d’un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation.
L’épreuve est notée sur 16 points auxquels s’ajouteront les points d’épreuve pratique sur 4 points.
I]
PHYSIQUE : sur 3,0 points. C É L É R I T É
D U
S O N
D A N S
L ’ A I R
Le texte suivant est à lire attentivement, avant de répondre aux questions posées.
« Le son se propage comme une onde dans l’air : l'air vibre, mais en moyenne, reste sur place alors que l'onde, c'est-à-dire le
mouvement, se propage de proche en proche sur de grandes distances. On compare souvent ce phénomène à la propagation d’une
perturbation dans une chaîne de masses, séparées par des ressorts : en oscillant, une masse comprime et relâche les ressorts
contigus qui déplacent les masses suivantes ; ces oscillations se transmettent ainsi de proche en proche.
Que l'air soit un ressort, nous en avons tous fait l'expérience en bouchant l'extrémité d'une pompe à vélo : si l'on comprime l'air,
puis qu'on relâche la poignée, celle-ci est rejetée par l'air comprimé.
Quant à la masse volumique de l'air, elle est faible : 1,3 kilogramme par mètre cube, soit moins de un millième de celle des liquides.
Plus le ressort est mou, ou plus la masse est importante, moins l'onde se propage rapidement. Ceci explique pourquoi les
liquides et l'air ont des vitesses du son qui ne sont pas très différentes : les liquides sont beaucoup plus denses, mais ils sont beaucoup
plus rigides. ».
1. Quelle particularité des ondes illustre la phrase : « l'air vibre, mais en moyenne, reste sur place » ?
2. Lorsqu'un signal sonore se propage dans l'air s'agit-il de vibrations transversales ou longitudinales ? Justifier
précisément la réponse.
3. Quels sont les facteurs qui influent principalement sur la célérité d'une onde dans un milieu matériel ? Expliquer leur influence.
4. L’onde ultrasonore est dite progressive et périodique. Expliquer ces deux termes.
5. 5.1. On parle, pour une onde sonore, de « double périodicité ». Expliquer pour quelle raison.
5.2. Quelle relation relie les deux périodes d’une onde ? Préciser la signification et les unités des grandeurs qui
interviennent dans cette relation.
II ]
PHYSIQUE : sur 6,0 points. O N D E S
U L T R A S O N O R E S
1. Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l’eau.
-1
La célérité des ultrasons dans l’air, vair = 340 m.s , est plus faible que la célérité des ultrasons dans l’eau de mer,
notée : veau. Un émetteur produit simultanément des salves d’ondes ultrasonores dans un tube rempli d’eau de mer et dans
l’air (voir Figure 1 ci-dessous). À une distance d de l’émetteur d’ondes ultrasonores, sont placés deux récepteurs : l’un dans
l’air et l’autre dans l’eau de mer.
Le récepteur A est relié à l’entrée A du système d’acquisition d’un ordinateur et le récepteur B à l’entrée B.
L’acquisition commence lorsqu’un signal est reçu sur l’entrée B du système.
d
12 V continu
Récepteur A
Entrée A
Récepteur B
Entrée B
eau de mer
Figure 1
1.1. Pourquoi est-il nécessaire de déclencher l’acquisition lorsqu’un signal est reçu sur l’entrée B ?
1.2. Donner l’expression du retard ∆t entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs en fonction de tA et tB,
durées que mettent les ultrasons pour parcourir respectivement la distance d dans l’air et dans l’eau de mer.
... / ...
1.3. On détermine ∆t pour différentes distances d entre l’émetteur et les récepteurs. On traite les données avec un
tableur et on obtient le graphe ∆t = f (d) de la Figure 2 ci-dessous.
Figure 2
1.3.1 Donner l’expression de ∆t en fonction de d, vair et veau.
1.3.2. Justifier l’allure de la courbe obtenue.
1.3.3. Déterminer graphiquement le coefficient directeur de la droite ∆t = f (d).
1.3.4. En déduire la valeur de la célérité veau des ultrasons dans l’eau de mer.
2. Détermination du relief des fonds marins.
3
-1
Dans cette partie on prendra : veau = 1,50.10 m.s .
Un sondeur acoustique classique est composé d’une sonde comportant un émetteur et un récepteur d’onde ultrasonore
de fréquence : f = 200 kHz et d’un boîtier de contrôle ayant un écran qui visualise le relief des fonds sous-marins.
La sonde envoie des salves d’ultrasons verticalement en direction du fond à des intervalles de temps réguliers ; cette
onde ultrasonore se propage dans l’eau à une célérité constante veau. Quand elle rencontre un obstacle, une partie de
l’onde est réfléchie et renvoyée vers la source. La détermination du retard entre l’émission et la réception du signal permet
de calculer la profondeur p.
Un bateau se déplace en ligne droite suivant un axe x’x en explorant le fond depuis le point A, xA = 0,00 m, jusqu’au
point B, xB = 50,0 m (Figure 3 ci-dessous).
Le sondeur émet des salves d’ultrasons à intervalles de temps égaux, on mesure à l’aide d’un oscilloscope la durée
∆t séparant l’émission de la salve de la réception de son écho.
Sensibilité
horizontale :
10 ms / div
Figure 3
Figure 4
Oscillogramme
2.1. L’oscillogramme de la Figure 4 ci-dessus montre l’écran d’un oscilloscope lorsque le bateau se trouve en A.
L’une des voies représente le signal émis, l’autre le signal reçu par le récepteur.
Sur l’oscillogramme, on a décalé la voie 2 vers le bas pour distinguer nettement les deux signaux.
La Figure 5 ci-contre représente ∆t = f (x) lorsque le bateau se déplace de A vers B.
2.1.1. Identifier les signaux observés sur chaque voie de l’oscilloscope.
Justifier la réponse.
Figure 5
2.1.2. À partir de l’oscillogramme de la Figure 4, déterminer la durée ∆t
entre l’émission de la salve et la réception de son écho.
2.1.3. En déduire la graduation de l’axe des ordonnées de la Figure 5,
représentant la durée ∆t en fonction de la position x du bateau.
2.2. Déterminer la relation permettant de calculer la profondeur p en fonction
de ∆t et veau.
.../ p. 3
Terminale S
D.S.T. N° 1
Page 3
2.3. Tracer sur la Figure 6 ci-dessous, l’allure du fond marin exploré, en fonction de la position x du bateau, en
précisant les valeurs numériques de la profondeur p en mètres.
Figure 6
2.4. Le sondeur envoie des salves d’ultrasons à intervalles de temps réguliers T. Pour une bonne réception, le signal
émis et son écho ne doivent pas se chevaucher. Le sondeur est utilisable jusqu’à une profondeur de 360 m.
Déterminer la période minimale Tm des salves d’ultrasons permettant ce fonctionnement.
III ] PHYSIQUE : sur 7,0 points. L A
Document 1.
P R O F O N D E U R
D E S
O C É A N S
Les travaux de l’américain Bache.
En 1856, l'Américain Alexander Bache eut l'idée d'utiliser la vitesse de propagation des tsunamis pour en déduire la profondeur
moyenne de l’océan sur leur trajectoire. Par exemple, le tremblement de terre de Lisbonne en 1755 (celui que Voltaire décrit dans
« Candide ») déclencha une vague de 4 à 6 m d'amplitude qui traversa l'Atlantique et provoqua d'énormes dommages dans les
Caraïbes. Bache calcula ainsi que la profondeur moyenne de cet océan était de l'ordre de 4 000 m (ce qui s'avère très proche de la
valeur réelle de 3 800 m). De même, après l'éruption du Krakatoa en 1883, d'énormes vagues traversèrent l'océan Indien, puis
remontèrent l'Atlantique et arrivèrent en Manche : on parle de hauteurs de 35 m près du volcan, mais ces vagues ne faisaient plus que
quelques centimètres d'amplitude à leur arrivée. La durée de leur parcours, de trente-deux heures et trente minutes, permit de confirmer
le résultat de Bache.
Extrait de « La Machine Océan » de Jean-François Minster. Éditions Flammarion.
Document 2.
Carte relative au tsunami induit par
tremblement de terre de Lisbonne en 1755.
le
Les lignes isochrones sont espacées d’une heure.
Document 3.
Le « cri » d’Edvard Munch (1892).
Munch écrivit dans son journal, le 22 juillet 1892 :
« Je me promenais sur un sentier avec deux amis — le soleil se
couchait — tout d'un coup le ciel devint rouge sang je m'arrêtai, fatigué, et
m'appuyai sur une clôture — il y avait du sang et des langues de feu audessus du fjord bleu-noir de la ville — mes amis continuèrent, et j'y restai,
tremblant d'anxiété. Je sentais un cri infini qui se passait à travers l'univers et
qui déchirait la nature. »
Document 4.
Expérience de diffusion de la lumière.
La lumière prélevée par diffusion est majoritairement bleue ; la lumière
restante qui traverse le verre est d’autant plus rougeâtre que l’on rajoute du
lait dans l’eau. Cette diffusion, dite de Rayleigh, est due aux molécules qui
jouent le rôle d’antennes nanométriques.
Document 5.
2012 : Tsunami de Fukushima un an après.
Ce pourrait être le début d'une déferlante de déchets charriés par l'océan après le tsunami de Fukushima du 11 mars 2011...
Un bateau de pêche japonais qui dérive à vide au large de la côte Pacifique du Canada pourrait bien être l'avant-garde des 1,5
million de tonnes de débris, dus au tsunami du 11 mars 2011 au Japon, qui se dirigent actuellement vers l'Amérique du Nord.
Le 20 mars 2012, les services du Ministère canadien des Transports ont localisé un bateau de pêche japonais vide, à 150 milles
nautiques au sud des îles de la Reine Charlotte, proches de la côte de Colombie britannique.
(20 minutes.fr, le 27/03/2012)
... / ...
I ] LES TRAVAUX DE BACHE
La vague solitaire d’un tsunami se propage sans déformation sur de grandes distances. L’américain Alexander
Bache a supposé que la vitesse de propagation d’un tsunami en mer, vitesse notée v, dépend de l’accélération g de la
-2
pesanteur et de la profondeur h de l’océan. On prendra : g = 9.81 m.s .
a b
On pose : v = g .h (relation 1) où les exposants a et b sont des nombres que l’on va déterminer.
1. Quelle est l’unité de vitesse dans le système international ?
2. Quelle est l’unité de profondeur dans le système international ?
3. Trouver les valeurs de a et b pour que la relation 1 soit homogène.
II ] CARTE DU TSUNAMI DE 1755
er
La vague formée par le tremblement de terre de Lisbonne (Portugal) le 1 novembre 1755 fut ressentie jusqu’aux
Antilles. L‘avancée de cette vague a été modélisée par le National Geophysical Data Center (U.S.A.)
(http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/icons/1755_1101.jpg).
1. D’après la carte du Document 2, en combien de temps la vague a-t-elle traversé l’océan Atlantique de Lisbonne aux Antilles ?
2. La distance Lisbonne / Antilles est environ égale à 5 660 km. Calculer la vitesse de la vague.
3. En déduire une estimation de la profondeur h moyenne de l’océan Atlantique.
4. Quel phénomène physique permet d’expliquer que les lignes isochrones de la vague ne sont pas parfaitement circulaires ?
III ] ÉRUPTION DU KRAKATOA EN 1883
On s’intéresse aux vagues qui ont suivi l’éruption du volcan indonésien Krakatoa en 1883.
1. D’après le Document 1 , quel a été en secondes la durée T du parcours de ces vagues de leur origine jusqu’à la
Manche en Europe ?
2. Soit L la moitié de la circonférence de la Terre de rayon : RT = 6 400 km. On estime le trajet des vagues compris
entre L1 = 1.1 L et L2 = 1.2 L. Calculer un encadrement de la vitesse des vagues.
3. En déduire un encadrement de la profondeur des océans traversés.
IV ] COUCHERS DE SOLEIL
Edvard Munch, artiste norvégien, a peint en 1893 un tableau (voir ci-contre) intitulé « Le
cri », comportant un ciel particulièrement rouge qu’il a aussi décrit (Document 3). Cet état du ciel
a vraisemblablement été provoqué par l’arrivée massive d’un important nuage de poussières
provenant du Krakatoa.
1. Expliquer pourquoi on appelle l’expérience du Document 4 « L’expérience du coucher de Soleil » ?
2. Dans cette expérience, la diffusion de la lumière est-elle d’autant plus favorisée que la
longueur d’onde de la lumière diffusée est grande ou petite ? Justifier.
3. Expliquer pourquoi le ciel qu’a vu Munch était beaucoup plus rouge que d’habitude.
V ] ACTUALITÉ DE MARS 2012
D’après le Document 5, un navire, balayé par le tsunami japonais, a atteint Vancouver (ouest du Canada), c’est-à-dire a
traversé l’océan Pacifique !
1. En combien de temps le navire a-t-il traversé le Pacifique ?
2. Peut-on appliquer au bateau le modèle proposé par Alexander Bache ? Argumenter votre réponse.