Fiche professeur - Académie de Toulouse

Fiche professeur
THEME du programme :
Sous-thème :
Habitat
Confort acoustique
A toute vitesse
Type d’activité :
- Exercices
Conditions de mise en œuvre :
- Activité en classe entière
Pré- requis (collége) :
- Expression de la vitesse
- Connaître les unités du système international : le mètre pour une distance, la seconde pour un temps
- Mesure d’une durée sur un oscillogramme.
NOTIONS ET CONTENUS
Ondes sonores et ultrasonores ;
propagation.
COMPETENCES ATTENDUES


Définir et mesurer quelques grandeurs
physiques associées à une onde sonore ou
ultrasonore : célérité.
Donner l’ordre de grandeur de la célérité du
son dans quelques milieux : air, liquide,
solide.
Compétences transversales :
-
Réaliser les mesures avec la précision optimale
Exploiter une relation.
Estimer l’incertitude du résultat d’une mesure unique ou d’une série de mesures.
Mots clés de recherche : son, célérité
Provenance : Académie de Toulouse
Adresse du site académique : http://pedagogie.actoulouse.fr/sc_phy/site_php/
Sous-thème :
THEME du programme :
Habitat
Confort acoustique
A toute vitesse
NOTIONS ET CONTENUS
COMPETENCES ATTENDUES
Ondes sonores et ultrasonores ; propagation.


Définir et mesurer quelques grandeurs physiques
associées à une onde sonore ou ultrasonore : célérité.
Donner l’ordre de grandeur de la célérité du son dans
quelques milieux : air, liquide, solide.
Compétences transversales :
Réaliser les mesures avec la précision optimale
Exploiter une relation.
Estimer l’incertitude du résultat d’une mesure unique ou d’une série de mesures.
Vitesse sur piste :
Le circuit de Monza en Italie a une longueur de piste de 5793m.
En 2008, le record du tour a été établi par Kimi Raikkönen en 88 secondes.
Calculer la vitesse moyenne du coureur en m.s-1 et en km.h-1.
Mesure d’une distance : principe du sonar
On réalise le montage ci-dessous comprenant un émetteur et un récepteur à ultrasons.
Emetteur
Objet
Récepteur
distance d
Un oscilloscope permet d’enregistrer le signal émis et le signal reçu
On obtient l’oscillogramme représenté ci-dessous :
Base de temps : 0,5 ms / div.
1°- Exploitation des oscillogrammes :
Déterminer la durée t qui sépare la réception de l’émission du signal.
2°- Exploitation des mesures :
La célérité (vitesse de propagation) d'un son dans l'air est c = 340 m.s-1. Calculer la distance d entre
l’émetteur et l’objet (remarque le son effectue un trajet aller et retour)
a. En supposant que la célérité du son est connue avec précision, indiquer la source d’erreur dans ce calcul.
b. Evaluer l’erreur commise, en déduire l’erreur induite dans la détermination de d.
Vitesse du son dans l’eau et dans l’air :
Le professeur réalise l'expérience suivante :
Générateur
Emetteurs
Récepteurs
Cuve à eau
On relève à l'oscilloscope le signal émis et les signaux reçus, dans l'air et dans l'eau.
Signal émis
Signal reçu dans l’air
Signal reçu dans l’eau
1500 µs
350 µs
1° - Comparer la vitesse de propagation du son dans l’air et dans l’eau.
2° - Calculer la distance d séparant l'émetteur du récepteur, sachant que la célérité d'un son dans l'air est de
340 m.s-1.
Déterminer l’erreur effectuée sur la détermination de d, sachant que l’on mesure un temps à 20 µs près.
3° - Calculer la célérité du son dans l'eau.
Connaissances :
Une onde sonore a besoin d'un support pour se propager (air, liquide, solide)
La vitesse de propagation d'un son dépend du milieu servant de support :
c=d/t
→ d en mètres
→ t en secondes
Air
Célérité du son
(en m/s)
343
Eau
1 480
Glace
3 200
Verre
5 300
Acier
5 200
Béton
3 100
Granit
6 200
Matériaux
Pour aller plus loin :
Vitesse du son et de la lumière :
A la campagne nos grands parents évaluaient à quelle distance se situait un orage en
mesurant le temps qui séparait l'éclair du bruit du tonnerre ; Trois secondes
correspondant à un kilomètre.
Justifier en comparant la vitesse de propagation de la lumière et du son.
Rappels :
Célérité de la lumière = 300 000 km.s-1
Célérité du son dans l’air = 340 m.s-1.
Contrôle non destructif de matériaux :
Pour contrôler l’homogénéité d’une tôle, on utilise un dispositif constitué
d’un émetteur à ultra-sons dont le principe est représenté ci-dessous.
Tôle
1°- Etalonnage : Le premier écran de l'oscilloscope montre un pic d'entrée à gauche et un pic de sortie à
droite. La distance entre les deux pics correspond à 2 fois l'épaisseur de la tôle (aller+retour). L’épaisseur de
la tôle Ep est de 6 mm. Mesurer le temps séparant les 2 échos (échelle 0,5 µs / div). En déduire la célérité du
son dans la tôle.
2°- Détection du défaut : Le palpeur émet au-dessus d'un défaut, il y a apparition d'un pic correspondant au
défaut. Calculer la profondeur du défaut dans la tôle.