Exercices

f. Pour tester l’effet de matériaux différents,
l’écran peut être remplacé par une plaque en bois
par exemple ou un morceau de mousse. Il est aussi
possible de conserver l’écran métallique et d’interposer entre la plaque et l’ensemble émetteur-récepteur un matériau comme tissu ou un mouchoir en
papier.
Différents phénomènes sont alors observables
(absorption, réflexion, transmission). L’observation
de l’amplitude du signal reçu renseigne sur le type
de matériau. L’apparition d’une autre salve due à la
réflexion partielle sur un obstacle peut également
être observée.
Commentaires
Vitesse du son (m.s–1)
325
Température (°C)
– 10
Pression (hPa)
Vitesse du son
(m.s–1)
2
Particules ou rayonnements ?
Particules : protons ; photons ; électrons.
Rayonnements : ultraviolet ; X ; γ ; infrarouge ; radio.
0
0
10
20
30
600 1 000 3 000 8 000
101 94
90
70
36
15
11
8,5
4,5
– 37
340 338
336
329
308
26 • Partie 1 OBSERVER
Vrai ou faux ? (2)
Exercice résolu dans le manuel de l’élève, p. 632.
4
Vrai ou faux ? (3)
a. Faux : il faut un support matériel au son pour se
propager et le vide règne entre la Terre et la Lune.
b. Faux : elle se propage aussi dans les solides.
c. Vrai : la célérité d’une onde dépend du milieu de
propagation.
d. Faux : la pression régnant dans le milieu a aussi
une influence, ainsi que le milieu de propagation.
5
Sismographe
a. Le sismographe est fait de telle manière que tout
soit mis en mouvement sauf la masse et le stylo qui
lui est relié.
b. Pour augmenter la sensibilité du sismographe, il
est possible d’utiliser un ressort moins raide ou une
masse plus grande.
Un ressort de raideur plus importante ou une masse
plus importante peuvent limiter l’amplitude des
oscillations enregistrées et donc limiter l’observation des petites secousses sismiques.
c.
331 338 343 349
Vitesse du son en fonction de l’altitude, de la pression et de la température dans l’air :
Température (°C)
1 Vrai ou faux ? (1)
a. Faux : seule une partie des UV est arrêtée par
l’atmosphère.
b. Faux : ils émettent un rayonnement infrarouge.
c. Faux : les ondes radio n’interagissent pas avec
l’atmosphère et peuvent donc être étudiées par des
instruments d’observation terrestres.
3
• Pour utiliser un émetteur simple d’ultrasons de
40 kHz en émetteur de salves, il suffit de l’alimenter par une tension créneau ou TTL. Chaque variation de tension aux bornes de l’émetteur provoque
l’émission d’une salve d’ultrasons de 40 kHz. La fréquence de la tension créneau est à régler en accord
avec les paramétrages informatiques afin de n’avoir
à l’écran qu’une salve émise. Il suffit pour cela que
la durée d’acquisition soit inférieure à la demipériode du signal créneau. Ainsi pour une fréquence
de 100 Hz, la durée d’acquisition doit être inférieure à 5 ms. Il est aussi pratique de relier la sortie
TTL du GBF à la borne de synchronisation externe
de l’interface pour obtenir un déclenchement de
l’acquisition (déclenchement externe) lorsque la
salve est émise. Ainsi, la durée de propagation est
mesurée directement. Il est possible d’observer un
signal reçu qui semble instantané : c’est une propagation hertzienne. Elle peut être réduite en utilisant des câbles coaxiaux pour connecter l’émetteur
et l’interface d’acquisition au GBF.
• Quelques valeurs de la vitesse du son en fonction
de la température et de la pression :
Sous une pression de 1 atm :
Altitude (m)
Exercices
câble
support
masse
stylo
tambour
rotatif
mouvement horizontal du sol
6
Départ d’une course
Exercice résolu dans le manuel de l’élève, p. 632.
7 Onde le long d’une corde
a. Cette onde est transversale car la perturbation
est perpendiculaire à la direction de propagation.
b. La distance parcourue est 5,0 × 0,20 = 1,0 m.
La perturbation se retrouve donc 1,0 m plus loin.
1 mètre
8 Ondes dans un tuyau
Exercice résolu dans le manuel de l’élève, p. 632.
9 Le sonar des dauphins
a. La distance parcourue est 20 m, donc le temps
de parcours est :
20
= 13.10–3 = 13 ms.
1,5.103
b. Il faut que la distance parcourue par le dauphin
soit inférieure à la distance parcourue par les ultrasons. Pour éviter l’obstacle il faut que les ultrasons
ai été réfléchis.
Donc la vitesse du dauphin soit être inférieure à
la vitesse des ultrasons, ce qui est bien la cas (un
dauphin se déplace à une vitesse maximale de 60
km.h–1 soit environ 17 m.s–1).
Entraînement
10 Critique d’un schéma
a. Le schéma ne nous renseigne que sur le rayonnement visible émis par le Soleil.
Il peut donc faire croire que seul un rayonnement
electromagnétique visible est émis par le Soleil,
ce qui est faux. Comme il représente des couleurs
séparées, il laisse croire que le milieu situé entre le
Soleil est la Terre est dispersif ce qui est aussi faux
puisqu’il s’agit du vide.
b. Il donne à penser que le rayonnement ultraviolet
est intégralement réfléchi par l’atmosphère, or une
partie du rayonnement UV pénètre l’atmosphère.
c. Il ne nous donne aucune information concernant
les particules émises par le Soleil, si ce n’est les
photons, ceux-ci pouvant être vus comme une autre
interprétation du rayonnement électromagnétique.
11 Éruptions solaires
a. Des protons, des ions, des électrons et des photons sont émis lors d’une éruption solaire.
b. Les rayons X et les ultraviolets se propagent à la
vitesse de la lumière dans le vide, 3,00.108 m.s–1.
Les protons solaires parcourent la distance TerreSoleil en une heure environ donc ils se déplacent à
150.106 km.h–1 (soit 4,2.107 m.s–1).
c. Les rayons X et les ultraviolets sont suffisamment pénétrant pour perturber les communications
radioélectriques donc leurs effets sont ressentis
sur Terre. Les particules chargées (protons, ions et
électrons) ont plutôt un effet en haute atmosphère.
d. Pour étudier les rayons X et les ultraviolets,
des détecteurs sur Terre ou en basse atmosphère
(ballons sonde par exemple) sont suffisants. Pour
étudier les particules chargées, il est nécessaire
d’utiliser des capteurs hors atmosphère positionnés
sur des satellites.
12 Absorption par l’atmosphère
Exercice résolu dans le manuel de l’élève, p. 632.
13 Séisme
a. Le premier train d’ondes reçu est enregistré à
9 h 16 min 10 s et le second à 9 h 16 min 22 s.
b. Ce n’est pas un retard au sens défini dans le
cours car les deux trains d’onde sont enregistrés au
même endroit et il s’agit de deux ondes différentes.
c. La célérité v1 du premier train d’onde émis à
9 h 15 min 25 s, reçu à 9 h 16 min 10 s, soit
45 s plus tard, est calculée sachant qu’il a parcouru
99,5
99,5 km, donc v1 =
2,2 km.s-1.
45
La célérité v2 du second train d’onde émis à
9 h 15 min 25 s, reçu à 9 h 16 min 22 s soit 57 s
99,5
plus tard est, de même, v2 =
1,7 km.s-1 .
57
14 Célérité du son dans l’air
Exercice résolu dans le manuel de l’élève, p. 632.
15 Propagation d’une vague
1. La caméra filme à 25 images par seconde, donc
une image toutes les 0,04 s. On repère la prise
d’image avec t = 0 s pour l’image 1 d’où le tableau :
4
5
6
7
8
r (mm) 12 23 36 47
image
61
72
85
96 107 121
date t
(ms)
1
2
3
9
10
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
Chapitre 1 Ondes et particules • 27
Exercices de BAC
r (mm)
17 Relief du fond marin avec sondeur
100
75
50
25
0
t (ms)
0
100
200
300
400
L’onde n’a pas été crée au début de la vidéo car
r > 0 pour t = 0 s. La droite modèle est en pointillés
sur le graphe.
La célérité de l’onde correspond à la pente de cette
droite donc pour une variation d’ordonnée de
121 – 36 = 85 mm = 85.10–3 m , il y a une variation
d’abscisse de 360 – 80 = 280 ms = 280.10–3 s
83.10-3
0,30 m.s–1
Donc c 280.10-3
2.a. Si la profondeur est inférieure, la vitesse est
inférieure, ce qui conduit, par exemple, à tracer la
droite en traits pleins sur le graphe dont la pente
est inférieure à celle de la droite en traits pointillés
b. Le tsunami en haute mer se propage donc plus
vite que lors de son arrivée sur les côtes.
16 Vitesse d’une péniche
a. gh a la même unité que la vitesse donc m.s–1
donc gh a pour unité m2.s–2.
Or g s’exprime en m.s–2 donc h s’exprime en m.
La relation gh est issue de l’expression de la
vitesse déterminée par le modèle d’Airy avec comme
domaine de validité des eaux peu profondes. Elle
est donc bien adaptée à la profondeur des eaux
d’un canal mais pas aux vagues se propageant à la
surface de la mer.
b. v = gh = 3,0 ¥ 9,8 5,4 m.s-1 .
c. vmin = 1,25v = 6,8 m.s–1
d. Plus les canaux sont profonds, plus la vitesse des
ondes est grande et donc plus la vitesse minimale
de la péniche est élevée ce qui entraîne un surcoût de carburant, voire rend la valeur minimale
inaccessible.
I.1. Une onde mécanique progressive est le phénomène de propagation d’une perturbation dans un
milieu matériel. Elle s’accompagne d’un transport
d’énergie sans transport de matière.
2. La lumière, contrairement aux ondes mécaniques, peut se propager dans le vide. La lumière
nous provenant du Soleil est un exemple de cette
propagation.
II.1. Le son se propage plus vite dans l’eau que
dans l’air donc le déclenchement doit se faire sur la
voie recevant le signal en premier : la voie B.
2. Le retard entre les réceptions est t tair - tmer .
3.a. La durée de propagation dans l’air est
d
tair vair
d
La durée de propagation dans l’air est tmer vmer
Ê 1
d
d
1 ˆ
donc t dÁ
˜
vair vmer
Ë vair vmer ¯
b. L’expression précédente montre bien la proportionnalité entre τ et d ce qui correspond à la fonction linéaire modélisant les mesures effectuées.
c. La droite passe par les points de coordonnées
(0 ; 0) et (1,1 ; 2,5) ce qui donne pour coefficient
2,5.10-3
2,3.10-3 s.m-1 . Ce coeffidirecteur a 1,1
Ê 1
1 ˆ
cient directeur s’écrit également a Á
˜
v
v
-1
Ë air
mer ¯
Ê 1
ˆ
- a˜ 1,6.103 m.s-1.
donc vmer Á
Ë vair
¯
III.1.a. La réception de l’écho se fait après l’émission donc la voie 1 correspond au signal émis et la
voie 2 au signal reçu après écho.
b. Le retard est τ = 25 ms.
c. Un carreau correspond donc à 25 ms.
2. Le signal faisant un aller-retour entre l’émission
t
et la réception, la relation est p vmer .
2
3. Pour τ = 25 ms on a donc
25.10-3
p 1,5.103 ¥
19 m.
2
p (m)
57
38
19
0
x (m)
0 10 20 30 40 50
point A
point B
28 • Partie 1 OBSERVER
2p
360 ¥ 2
0,48 s.
vmer 1,5.103
Une période supérieure à 0,48 s (0,50 s par exemple)
semble donc adaptée pour éviter le chevauchement.
4. Pour p = 360 m, t 18 Un séisme dans le Jura
1.a. Les ondes P ayant une célérité supérieure à
celle des ondes S, les ondes P sont détectées en
premier donc elles correspondent au premier train
d’onde sur le document.
b. Les ondes P sont détectées à la date tP =
18 h 31 min 15 s et les ondes S sont détectées à la
date tS = 18 h 31 min 20 s.
d
c. La célérité des ondes S est v S , celle des
t S - t0
d
.
ondes P est vP tP - t0
d
d
puis vP d. On en déduit t0 t S d
vS
tP - t S v
v v
S
d’où d S P (t S - tP )
vP - v S
e. L’application numérique donne :
3,5 ¥ 6,0
d
¥ 5 4.101 km.
6,0 - 3,5
2.a. Les ondes se propagent dans toutes les directions à partir de l’épicentre.
b. Par définition, une onde se propage sans transport de matière. Il y a transport d’énergie.
c. Une onde est longitudinale lorsque la direction
de la déformation est la même que la direction de
la propagation.
d. Il s’agit de valeurs moyennes car les célérités
varient en fonction des milieux matériels et pour
parvenir de l’épicentre au sismographe, différents
milieux (couches géologiques) ont été traversés.
19 Rayonnements et particules
1.a. Un type de rayonnement utilisé en médecine
est par exemple les rayons X, utilisés en radiologie.
b. Les rayonnements visibles émis par les étoiles
sont un rayonnement cosmique.
2. Les sources radioactives émettent des rayonnements γ qui ne sont pas des rayonnements infrarouges. Le corps renferme un certain nombre de
noyaux radioactifs
3.a. Une source radioactive émet des rayonnements
et des particules (α et β par exemple).
b. Le soleil émet aussi vers la Terre des particules
(photons, positrons et électrons).
c. Il faudrait modifier le document en indiquant
pour les sources cosmiques et telluriques : rayonnements et particules à la place de rayonnements.
4. Le compteur Geiger détecte des particules (β) et
des rayonnements (X et γ).
5. Une part des rayonnements et particules étant
stoppés en haute atmosphère, il faut utiliser des capteurs disposés sur des satellites pour étudier le plus
complètement possible les émissions cosmologiques.
Rédiger une synthèse de documents
20 Les ultrasons
Analyse de la question
Il s’agit de décrire le dispositif de mesure, puis
expliquer le principe de la mesure
Pistes de réponses et mots-clés
1. Le dispositif de mesure
B
C
D
4
3
2
A
système d'acquisition
1
E
R
jus de canne
Le dispositif est constitué d’un émetteur (E) et d’un
récepteur (R) ultrasonores que l’on plonge dans le
jus de canne. L’émission d’une salve d’ultrasons
déclenche un chronomètre qui s’arrête lorsque le
récepteur reçoit la salve émise, ce qui détermine la
durée de parcours (τ). La distance séparant l’émetteur du récepteur étant connue (d), la célérité des
d
ultrasons (v) se déduit en calculant v = .
t
2. Principe de la mesure
La mesure du taux de sucre dans le sucre de canne
s’effectue en mesurant la vitesse des ultrasons dans
le jus de sucre de canne. Cette vitesse dépend du
taux de sucre, ce qui permet, par utilisation d’une
courbe d’étalonnage par exemple, de déterminer de
taux de sucre dans le jus de canne et de choisir le
moment idéal pour la récolte. Pour pouvoir faire
correspondre célérité et taux de sucre, il faut avoir
au préalable effectué des mesures permettant un
étalonnage. Pour cela le même dispositif est utilisé
pour des solutions dont on connaît le taux de sucre.
Pour information, le pourcentage en masse de saccharose dans la canne à sucre est en moyenne de
12 à 15 %.
Chapitre 1 Ondes et particules • 29