Exercices N°8 - Ecole sur le Web

Exercices N°8 :
Pour commencer : Phénomène périodiques :( Schéma à dessiner)
1. Périodique ou non périodique ?
1. Qu’est-ce qu’un phénomène périodique ?
2. Indiquer les signaux périodiques parmi les courbes représentées ci-dessous.
2. Pulsations cardiaques : (Schéma à dessiner)
En 2009, les français Stéphane MIFSUD a établi le record d’apnée statique en restant
11min35s sous l’eau. Au repos, son rythme cardiaque est de 36 pulsations par minute et il
peut descendre à 20 pulsations par minute lors d’une apnée.
1. Quelle est sa fréquence cardiaque, exprimée en hertz, lorsqu’il est au repos ? Lors d’une
apnée ?
2. Quelle est la durée séparant deux battements de cœur consécutifs dans ces deux situations ?
3. Comment appelle-t-on ces durées ?
3. Principe de l’électrocardiogramme : (Schéma à dessiner)
Une partie d’un électrocardiogramme est représentée sur le document ci-dessous.
1. A quoi correspond l’intervalle de temps séparant deux grands pics consécutifs sur
l’électrocardiogramme ?
2. Quelle est la période des battements de ce cœur ?
3. Quelle est la fréquence cardiaque mesurée ?
4. Test à l’effort : (3 schémas à dessiner)
Lors d’un test à l’effort, on a relevé les pulsations cardiaques d’un cœur durant trois phases
différentes :
Au repos avant l’effort (phase A) ; pendant l’effort (phase B) ; en période de récupération
(phase C).
Ces enregistrements sont représentés sur le document ci-dessous avec les mêmes échelles sur
les deux axes.
1. Classer par ordre de fréquence cardiaque croissante les trois phases du test à l’effort (A, B,
C).
2. Attribuer chaque enregistrement à une phase de ce test en justifiant la réponse.
Les ondes au service du diagnostic médical
5. Période et fréquence : (Schéma à dessiner)
On a représenté sur le document ci-dessous le signal électrique correspondant à une onde
ultrasonore.
Les fréquences des ondes ultrasonores utilisées en échographie sont comprises entre 2 MHz et
13 MHz.
1. Quelle est la période T de cette onde ultrasonore ?
2. Calculer la valeur de sa fréquence F.
3. La fréquence F appartient-elle au domaine de fréquences utilisées en échographie ?
6. Sons et ultrasons :
1. Quel est le domaine de fréquence des sons ? Des ultrasons ?
2. A l’aide d’une recherche documentaire, citer quelques animaux sensibles aux ultrasons.
7. Audiogramme : (Schéma à dessiner)
Lors d’un audiogramme, le médecin teste l’audition de son patient avec des sons ayant une
fréquence comprise entre 125 Hz et 8,0 KHz. Les signaux électriques correspondant à deux
sons A et B émis lors de ce test sont représentés sur le document ci-dessous. Le son A n’est
pas perçu par le patient alors que le son B est bien perçu.
1. Quelles ont les périodes TA et TB des sons A et B ?
2. Calculer les fréquences fA et fB correspondant.
3. le patient a-t-il des problèmes d’audition dans les basses fréquences ou dans les hautes
fréquences ?
8. Sons dentaire : (Schéma à dessiner)
Pour effectuer un détartrage, le dentiste utilise des ultrasons de fréquences variant de 25 KHz
à plus de 45 KHz qui décollent le tartre.
La formation de tartre sur les dents peut favoriser une infection des gencives qui peut aller
jusqu’à la destruction de l’os qui soutient les dents. De telles infections peuvent être traitées à
l’aide d’un laser de fréquence 1014 Hz assez puissant pour détruire les bactéries sans brûler la
gencive.
1. A quel type d’onde appartiennent chacune des ondes utilisées pour ces deux soins
dentaires ?
2. Calculer les périodes des ondes dont les fréquences ont été citées dans l’énoncé de cet
exercice.
9. Propagation des ultrasons : (Schéma à dessiner)
Lors d’une séance de travaux pratiques, Claire et Rémi doivent réaliser la mesure de la
vitesse des ultrasons dans l’air. Ils disposent d’un émetteur et d’un récepteur ultrasons ainsi
que d’un système d’acquisition.
1. Schématiser le dispositif expérimental permettant cette mesure.
2. Indiquer sur quelles voies doivent être branchés l’émetteur et le récepteur pour obtenir
l’enregistrement ci-dessous.
3. Mesurer le décalage temporel Δt entre l’émission et la réception du signal.
4. A quelle distance d sont situés l’émetteur du récepteur sachant que, dans ce cas, la valeur
de la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air est V = 350m.s-1 ?
5. Quelles différences Claire et Rémi auraient-ils observées s’ils avaient réalisé cette
expérience :
a. Dans l’eau ? b. Dans le vide ?
10. Mesurer le pouls : (Schéma à dessiner)
Le pouls correspond au gonflement des artères sous la pression du sang. Il possède la même
fréquence que les battements cardiaques. Il se mesure généralement au poignet. Sa fréquence
et sa régularité sont des indications précieuses en cas d’urgence.
1. Indiquer un Protocol de mesure de pouls pour déterminer rapidement un rythme cardiaque.
2. Le rythme cardiaque d’un patient est de 53 pulsations par minute.
a. Calculer, en seconde, l’intervalle de temps entre deux battements consécutifs.
b. Calculer, en hertz, la fréquence cardiaque correspondante.
11. Mesurer de la fréquence cardiaque : (Schéma à dessiner)
Un électrocardiogramme (ECG) enregistre les signaux électriques qui correspondent à
l’activité du cœur. Sur le papier millimétré utilisé pour les ECG, un carreau de 5mm
correspond à 0,20 secondes.
Chaque contraction cardiaque provoque un signal électrique, à peu près reproductible dans le
temps, comportant au moins un pic caractéristique. La fréquence cardiaque (en pulsations par
minute) correspond ainsi au nombre moyen de pics pendant une minute d’enregistrement.
Les médecins urgentistes doivent être capables d’estimer rapidement une fréquence cardiaque
à partir d’un ECG.
La méthode usuelle consiste à graduer les grands carreaux de l’ECG à partir d’un pic (voir
l’ECG ci-dessus) :
-
Le 1er carreau après le pic de référence correspond à 300 pulsations. Min-1 ;
Le 2e carreau après le pic de référence correspond à 150 pulsations. min-1 ;
Le 3e carreau correspond à 100 pulsations. min-1 …
Cette estimation n’est pas très précise.
1. Utiliser cette méthode pour estimer le rythme cardiaque du patient auquel appartient l’ECG
ci-dessus.
2. Pourquoi cette estimation n’est-elle pas précise ?
3. Calculer le rythme cardiaque de ce patient.
4. Vérifier que les cinq fréquences repérées sur le schéma sont bien en conformité avec
l’échelle de temps du papier millimétré utilisé pour les ECG.
13. La sonnerie secrète des jeunes : (2 schémas à dessiner)
Les courbes ci-dessous représentent l’évolution de la sensibilité de l’oreille humaine en
fonction de l’âge.
L’ordonnée est la « perte d’audition ». Cette grandeur s’exprime en décibel (dB) ; elle est
égale à zéro pour une oreille « normale ».
1. a. L’écart d’audition entre les jeunes et les personnes plus âgées est-il plus important pour
les grandes ou pour les petites fréquences ?
b. Pour des sons de quelles fréquences, une personne de 60 ans a-t-elle perdu plus de 20 dB
d’audition ?
2. Un lycéen a téléchargé sur son téléphone portable une sonnerie « spéciale jeunes ». Le
signal électrique correspondant est représenté ci-dessous.
a. Quelle est la période du son correspondant ?
Quelle est sa fréquence ?
b. Ce son est-il entendu par un jeune de 20 ans à l’oreille « normale » ?
c. Pourquoi cette sonnerie est-elle appelée « sonnerie secrète des jeunes » ?
14. A chacun son rythme : (Schémas à dessiner)
Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté.
Dans un premier temps, essayer de résoudre l’exercice de niveau2. En cas de difficultés,
passer au niveau 1.
On se propose de retrouver la valeur de la vitesse des ondes sonores dans l’air à l’aide du
dispositif opératoire du document suivant.
Les deux micros sont séparés d’une distance d = 1,0 m et sont reliés au système d’acquisition
d’un ordinateur.
Un son bref est émis à l’aide d’un clap de cinéma. On obtient l’acquisition ci-dessous.
Niveaux 2
1. Quelle est la durée de parcours du son dans l’air ?
2. Calculer la valeur de la vitesse du son dans l’air.
Niveau 1
1. a. A quoi correspond les dates t1 et t2 sur l’enregistrement ?
b. Expliquer pourquoi la durée de parcours de l’onde sonore entre les deux micros se calcule à
l’aide de l’expression (t1 – t2).
c. Quelle est la valeur de la durée de ce parcours ?
2. a. Quelle est la distance parcourue par le son entre t1 et t2 ?
b. Convertir la durée de parcours et la distance parcourue dans les unités du système
international.
c. Quelle est la relation entre la distance parcourue, la durée de parcours et la valeur de la
vitesse du son ?
d. En déduire la valeur de la vitesse du son sans l’air lors de l’expérience.
15. Mesure de la vitesse du son :
François ARAGO, en 1822, détermine la valeur de la vitesse du son entre le donjon de la tour
de Montlhéry (Reproduire la photo) et l’observatoire de Villejuif. Un coup de canon tiré en
haut de la tour, de nuit, était entendu à Villejuif distant de 18,612 km. ARAGO mesure une
durée de 54,6 s séparant la lueur du canon (instant où le coup de canon est donné) du son
entendu.
1. Quelle est la relation entre la vitesse du son, la distance parcourue par le son et la durée
nécessaire pour la parcourir ?
2. Calculer la valeur de la vitesse du son à partir des mesures d’ARAGO.
3.a. Quelle propriété de la lumière est implicitement utilisée pour répondre à la question
précédente ?
b. Montrer par un calcul que la durée de propagation de la lumière est négligeable lors de
cette expérience.
16. Retour sur l’ouverture du chapitre : (Schémas à dessiner)
Pour mesurer rapidement une fréquence cardiaque à partir d’un électrocardiogramme (ECG),
un médecin peut utiliser une règle spécialement graduée (appelée règle ECG). Pour cela, il
faut que l’échelle horizontale de l’ECG soit de 0,40 s/div. Il suffit alors de placer la flèche de
la règle au niveau d’un pic bien identifiable et de lire la fréquence cardiaque, en battement par
minute, indiquée en face du deuxième pic de même forme après la flèche (après 2
battements).
1. En utilisant la règle ECG, évaluer la fréquence correspondant à l’ECG ci-dessous.
2. Vérifier cette mesure en utilisant l’échelle du papier millimétré.