DS.2 : Ondes sonores et ultrasonores Nom : Durée conseillée : 45

2nde
DS.2 : Ondes sonores et ultrasonores
Nom : Durée conseillée : 45 min
Prénom :
 La présentation, le soin et la rédaction seront pris en compte pour un point dans la notation.
 Justifier en expliquant votre démarche si cela est nécessaire.
 Tout calcul doit être précédé de la formule utilisée.
 La valeur numérique prise par une grandeur physique est toujours suivie d’une unité.
 Respecter la notation des grandeurs utilisées dans l’énoncé.
CORRECTION
Exercice.1 : 5 points
Durée conseillée : 5 min
QCM : Bonne réponse : 1 point Pas de réponse : 0 point Mauvaise réponse : - 1 point
Entoure la bonne réponse sans justifier.
a) La valeur approximative de la vitesse de propagation des ondes sonores dans l’air est :
v = 250 m.s-1 v = 1 500 m.s-1 v = 340 m.s-1
b) Dans l’air, les ondes sonores et ultrasonores ont des vitesses de propagation :
Egales Différentes
c) La relation entre vitesse v, durée ∆t et distance d est :
d = v
∆t v = ∆t x d d = v x ∆t
d) La fréquence f des ondes sonores audibles se situe à :
f ‹ 20 Hz 20 Hz ‹ f ‹ 20 kHz f › 20 kHz
e) Les ondes sonores et ultrasonores ne se propagent pas dans :
L’eau L’acier Le vide
Exercice.2 : 4,5 points
Durée conseillée : 10 min
La foudre éclate à quelques kilomètres de l’endroit où se trouve une personne.
L’éclair lui parvient quasi instantanément alors que le tonnerre arrive avec un décalage ∆t = 4,5 s plus tard.
a) Connaissant la valeur approximative v de propagation des ondes sonores dans l’air, à quelle distance d se trouve
l’impact de la foudre ?
La valeur de la vitesse v de propagation des ondes sonores dans l’air est : v = 340 m.s-1
Formule de base utilisée :
v = d
∆t
Grandeur recherchée : d
On transforme la formule de base : v = d
∆t  d = v x ∆t
Calcul :
v = 340 m.s-1
∆t = 4,5 s
d = 340 x 4,5 = 1,53 x 103 m soit d = 1 530 m ou 1,530 km
L’impact de la foudre se trouve à 1,530 km de cette personne.
b) Comment expliquer le fait que l’éclair arrive quasi instantanément alors que le tonnerre est décalé de 4,5 s ?
La vitesse de propagation de la lumière est beaucoup plus importante que celle des ondes sonores.
c) Si cette personne avait écouté le tonnerre sur le sol solide, quel serait le décalage ∆t des ondes sonores, sachant
que le son se propage dans le sol à une vitesse v = 3 000 m.s-1 ?
Formule de base utilisée :
v = d
∆t
Grandeur recherchée : ∆t
On transforme la formule de base : v = d
∆t ∆t = d v

Calcul :
Vitesse de propagation des ondes sonores dans le sol : v = = 3 000 m.s-1
d = 1 530 m
∆t = 1 530
3 000 = 5,10 x 10-1 s
Le décalage horaire serait de ∆t = 5,10 x 10-1 s
Exercice.3 : 4,5 points
Durée conseillée : 10 min
Lors d’une échographie d’un fœtus, la sonde posée sur le ventre de la mère (voir schéma ci-dessous) émet et reçoit des
signaux ultrasonores.
L’ordinateur calcule la durée ∆t mis par le signal émis pour faire un aller jusqu’au fœtus et un retour jusqu’au récepteur .
La vitesse v de propagation des ondes ultrasonores dans le corps humain est de 1 500 m.s-1.
La sonde orientée vers la tête du fœtus reçoit un premier signal avec un décalage ∆t = 3,0 x 10-5 s après l’émission, et un
deuxième signal avec ∆t = 7,0 x 10-5 s.
a) Calculer la distance d1 entre la sonde et la paroi la plus proche
de la tête du fœtus.
L’onde ultrasonore effectue un aller-retour entre la sonde et la première
paroi de la tête (premier signal) soit une distance de 2 x d1
(Voir schéma ci-contre)
Formule de base utilisée :
v = 2 x d1
∆t
Grandeur recherchée : distance d1
On transforme la formule :
2 x d1 = v x ∆t  d1 = v x ∆t
2
Calcul :
v = 1 500 m.s-1
∆t = 3,0 x 10-5 s
d1 = 1 500 x 3,0 x 10-5
2 = 2,25 x 10-2 m soit d1 = 2,25 cm
b) Calculer la distance d2 entre la sonde et la paroi la plus éloigné de la tête
du fœtus.
En procédant de la même manière pour le second signal reçu, on trouve :
d2 = v x ∆t
2
Avec : ∆t = 7,0 x 10-5 s.
D’où : d2 = 1 500 x 7,0 x 10-5
2 = 5,25 x 10-2 m soit d2 = 5,25 cm
c) Déduire le diamètre d de la tête du fœtus en cm.
Le diamètre d de la tête du fœtus est : d = d2 – d1 = 5,25 – 2,25 = 3,00 cm
Exercice.4 : 5 points
Durée conseillée : 20 min
Dans les bateaux de pêche sont fréquemment embarqués des sonars. Une onde émise puis reçue et un ordinateur permet
de calculer la durée ∆t d’un aller-retour entre le sonar et un obstacle ou un banc de poissons.
a) La fréquence de l’onde émise par le sonar est de 50 kHz. De quel type d’onde s’agit-il ?
La fréquence 50 kHz est supérieure à 20 kHz, il s’agit d’une onde ultrasonore.
Sonde
Tête
Ventre
d2
d1

b) Lors d’essais de ce sonar dans une piscine d’eau de mer, on place un obstacle à une distance d = 20 m de l’émetteur -
récepteur. L’ordinateur calcule une durée ∆t d’aller-retour de 26,67 ms. Calculer la vitesse v de propagation de l’onde
dans l’eau de mer.
L’onde ultrasonore effectue un aller retour entre la sonde et l’obstacle situé à d = 20 m, elle parcourt alors
une distance égale 2d.
Formule utilisée :
v = 2d
∆t
Calcul :
2d = 2 x 20 = 40 m
∆t = 26,67 ms = 26,67 x 10-3 s
v = 40
26,67 x 10-3 = 1,5 x 103 m.s-1 soit v = 1 500 m.s-1
La vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans l’eau de mer est v = 1 500 m.s-1
c) Si ce sonar était utilisé dans l’air, quelle serait la durée ∆t d’un aller-retour entre le sonar et l’obstacle ?
La vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans l’air est v = 340 m.s-1
On sait que : v = 2d
∆t  ∆t = 2d v
Calcul :
2d = 40 m
v = 340 m.s-1
∆t = 40
340 = 1,18 x 10-1 s
La durée d’un aller-retour dans l’air serait de ∆t = 1,18 x 10-1 s
d) Un bateau à l’arrêt qui utilise ce sonar détecte un banc de poissons dans la direction faisant un angle  = 30° avec
la surface de l’eau (Voir schéma ci-dessous).
La durée ∆t entre l’émission et la réception de l’onde délivrée par le sonar est de 6 s.
 Calculer la distance d du bateau au banc de poissons.
 Calculer la profondeur h à laquelle se trouve le banc.
Rappel :
Sin α = Côté opposée
Hypoténuse Cos α = Côté adjacent Hypoténuse Tan α = Côté opposée Côté adjacent
Banc de poissons
d
h
 = 30°

 Distance d parcourue entre le bateau et le banc de poissons :
En procédant avec le même raisonnement que les questions précédentes, on trouve :
v = 2d
∆t  2d = v x ∆t   d = v x ∆t 2
Calcul :
v = 1 500 m.s-1
∆t = 6 s
d = 1 500 x 6
2 = 4,50 x 103 m soit d = 4 500 m = 4,500 km
 Calculer la profondeur h à laquelle se trouve le banc de poissons.
Dans le triangle rectangle, on peut écrire :
Sin   = Côté opposée
Hypoténuse = h d  h = d x sin 30°
Calcul :
h = 4 500 x sin 30° = 2 250 m
Le banc de poisons se trouve à une profondeur de 2 250 m
Banc de poissons
d
h
 = 30°