But de la manipulation
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PSB2 (Banque 2006) Sujet : Modes de vibration d’une colonne d’air Étude à l’aide d’un oscilloscope Fiche n° 2 : LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU PERSONNEL DE LABORATOIRE Pour chaque poste La liste du matériel dépend du matériel disponible dans l’établissement. Le circuit du micro à électret doit être déjà câblé. Les composants nécessaires à ce câblage figurent dans la liste ci-dessous et le montage est schématisé. un microphone à électret (voir montage page suivante) un générateur de tension pouvant délivrer une tension constante de 9 V un condensateur de capacité 100 nF un conducteur ohmique de résistance 4,7 k deux tuyaux en PVC ou en carton (tuyau pour affiche ou poster) de même nature mais de longueurs différentes : LA = 60 cm (tube A) et LB = 1 m (tube B). Les longueurs sont indiquées sur chaque tuyau. D’autres matériaux sont possibles, il suffit que le diamètre soit nettement supérieur à celui du micro (mais petit devant la longueur du tube). Les tuyaux doivent être clairement identifiés par une lettre un petit haut-parleur adapté au diamètre des tuyaux un dispositif de fixation du haut-parleur et des tuyaux un GBF avec affichage de la fréquence (ou fréquencemètre associé) un oscilloscope bicourbe des fils de connexion des adaptateurs BNC-bananes déjà fixés sur l’oscilloscope et le GBF un feutre pour surface lisse effaçable un mètre ruban Prévoir sur la paillasse une fiche destinée au candidat indiquant le schéma simplifié du montage avec les branchements vers les voies de l’oscilloscope (cf « schéma du montage » page suivante). Rappel : le montage du micro à électret doit être réalisé à l’avance. Pour une salle, prévoir un poste de remplacement. Ce sujet a été testé avec les valeurs indiquées dans cette liste de matériel. Vous pouvez adapter les valeurs des composants (ou le matériel) en fonction de l’équipement de votre laboratoire. Les versions .rtf et .doc des fiches n° 2 et n° 3 jointes à la version .pdf vous permettent d’adapter le sujet à votre matériel. Cette adaptation ne doit entraîner EN AUCUN CAS de modifications : - de la répartition des points entre les fiches n° 4 et n° 7 ; - de la répartition des () par rubrique de la fiche n° 4 (par appel, par matériel, pour une observation en continu) ; - des questions de la fiche n° 7. Montage du microphone à électret (réalisé à partir d’une « capsule microphone à électret ») : patte ou ergot en contact avec l'enveloppe extérieure de la capsule fiche banane capsule du micro à électret fil électrique fin tuyau en verre ou en PVC dont le diamètre est adapté à celui de la capsule du micro et suffisamment long pour que l'ensemble soit manipulé aisément dans les tuyaux en carton, en PVC ou en verre masse de l'oscilloscope G + voie 2 de l'oscilloscope R C patte ou ergot en contact avec l'enveloppe extérieure de la capsule Le générateur délivre une tension constante de 9 V Prendre : R = 4,7 k et C = 100 nF Schéma du montage : GBF voie 1 de l'oscilloscope masse de l'oscilloscope masse de l'oscilloscope G+ R C micro à électret voie 2 de l'oscilloscope haut-parleur tuyau en carton, en PVC ou en verre .... Partie du montage déjà réalisée PSB2 (Banque 2006) Sujet : Modes de vibration d’une colonne d’air Étude à l’aide d’un oscilloscope Fiche n° 3 : ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT Ce sujet est accompagné de deux feuilles individuelles de réponses sur lesquelles vous devez consigner vos résultats. But de la manipulation : Mettre en évidence les modes propres de vibration d’une colonne d’air dans un tuyau. Déterminer la célérité du son dans l’air à la température ambiante. Tester l’influence de la longueur de la colonne d’air sur la fréquence de son mode fondamental de vibration. Données : On admettra que dans le dispositif de tuyau sonore utilisé ici, la fréquence des modes propres d’une colonne d’air de longueur L est f = n.v où v est la célérité des ondes sonores dans l’air et n est un entier 2L v positif (n = 1 pour le mode fondamental). D’autre part : 2L = n. et = . f haut-parleur micro à électret L Quand le microphone à électret détecte une tension d’amplitude maximale, cela correspond à un ventre de pression. Lorsqu’un système d’onde stationnaire est établi dans le tuyau, deux nœuds de pression consécutifs ou deux ventres de pression consécutifs sont séparés par une distance valant . 2 Travail à effectuer : 1. Détermination des modes propres de vibration d’une colonne d’air On utilise dans cette partie le tube A. 1.1 Effectuer les branchements nécessaires pour visualiser en voie 1 de l’oscilloscope la tension de sortie du GBF. Régler le GBF de manière à ce que sa tension de sortie soit une tension sinusoïdale de fréquence 250 Hz et d’amplitude égale à 1,0 V. On devra observer sur l’écran un peu plus de deux périodes de la tension de sortie. 1.2 Disposer le haut-parleur à environ 1 cm d’une extrémité du tuyau A de longueur LA. 1.3 Alimenter le haut-parleur à l’aide du GBF. 1.4 Effectuer les branchements nécessaires pour visualiser en voie 2 de l’oscilloscope la tension aux bornes du microphone à électret. Le placer à l’intérieur du tuyau, au voisinage de son milieu. 1.5 Régler l’oscilloscope de façon à visualiser au mieux les deux tensions précédentes. Appeler le professeur pour valider le montage et vérifier les réglages (appel 1) 1.6 Le microphone à électret étant toujours placé à l’intérieur du tuyau et au voisinage de son milieu, augmenter progressivement la fréquence du GBF à partir de 250 Hz. Rechercher les valeurs des quatre premières fréquences favorisées (amplitude maximale) par le tuyau sonore, c’est à dire les fréquences des quatre premiers modes propres de vibration de la colonne d’air. Ne pas hésiter à changer la sensibilité de la voie 2 au cours de la manipulation. Ajuster éventuellement la position du microphone à électret. Répondre à la question 1.6 de la feuille de réponses. 1.7 Régler le GBF à la fréquence du fondamental f1. Déplacer le microphone à électret à l’intérieur du tuyau, depuis l’orifice libre du tuyau vers l’orifice situé près du haut-parleur. Observer simultanément à l’oscilloscope l’évolution de la tension détectée par le microphone à électret. Répondre à la question 1.7 de la feuille de réponses. 1.8 Répondre aux questions 1.8 et 1.9 de la feuille de réponses. 2. Influence de la longueur de la colonne d’air sur la fréquence du mode fondamental 2.1 Répondre aux questions 2.1.a. et 2.1.b. de la feuille de réponses. 2.2 Répondre à la question 2.2 de la feuille de réponses. Appeler le professeur pour valider le protocole proposé (appel 2) 2.3 Réaliser le protocole et répondre aux questions 2.3 et 2.4 de la feuille de réponses. Défaire les fils de connexion du générateur et du micro à l’oscilloscope et remettre le premier tuyau utilisé ; ranger le matériel sur la paillasse. Le candidat doit restituer ce document avant de sortir de la salle d'examen.
