Sciences Physiques – Devoir n°1 – 2 h

Sciences Physiques – Devoir n°1 – 2 h - Mardi 29 septembre 2015 -TS1
Calculatrice autorisée
Exercice 1 :
Cet exercice est un questionnaire à réponses ouvertes courtes. A chaque question peuvent correspondre aucune,
une ou plusieurs propositions exactes. Justifier brièvement les réponses.
1 - Les éléphants émettent des infrasons (dont la fréquence est inférieure à 20Hz). Cela permet de communiquer sur
de longues distances et de rassembler. Un éléphant est sur le bord d’une étendue d’eau et désire indiquer à d’autres
éléphants sa présence. Pour cela, il émet un infrason. Un autre éléphant situé à une distance L = 24,0 km, reçoit
l’onde au bout d’une durée Δt = 70,6 s.
La valeur de la célérité de l’infrason dans l’air v est :
a. v = 34,0 km.s-1
b. v = 340 km.s-1
c. v = 340 m.s-1
2 - Ondes à la surface de l’eau
Au laboratoire, on dispose d’une cuve à ondes contenant de l’eau immobile à la surface de laquelle flotte un petit
morceau de polystyrène. On laisse tomber une goutte d’eau au-dessus de la cuve, à l’écart du morceau de
polystyrène. Une onde se propage à la surface de l’eau.
2.1 Cela correspond :
a. à une onde longitudinale
b. à une onde transversale
2.2 L’onde atteint le morceau de polystyrène. (ne pas justifier)
a. Celui-ci se déplace parallèlement à la direction de propagation de l’onde.
b. Celui-ci se déplace perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde.
c. Celui-ci monte et descend verticalement.
3 - Ondes le long d’une corde
L’extrémité gauche d’une corde est reliée à un vibreur effectuant des oscillations sinusoïdales à partir d’un instant de
date t0 = 0s.
Les graphiques 1 et 2 représentent l’état de la corde à une date donnée. Les élongations y et les abscisses x sont
graduées en cm. On néglige tout amortissement.
3.1 Le graphique 2 ci-dessus permet de déterminer la valeur numérique de la longueur d’onde λ, soit :
a. = 15 cm
b. = 30 cm.
c. = 46 cm.
3.2 A partir des graphiques 1 et 2, la période temporelle T vaut
a. T = 30 ms.
b. T = 60 ms.
3.3 La célérité de l’onde dans la corde est :
a. v = 4,0 m.s-1.
b. v = 10,0 m.s-1.
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c. T = 18 ms.
c. v = 15,0 m.s-1.
Exercice n°2 : Souvenir de l’été
La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle,
le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs !
Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l’exercice.
Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2
1. La houle, une onde mécanique progressive
1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive ?
1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une
lame vibrante qui crée à la surface de l’eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence donnée f = 23 Hz.
On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode
utilisée, la vitesse de propagation v de l’onde sinusoïdale générée par le vibreur.
2. Surfer sur la vague
2.1. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s’est formée avec une longueur
d’onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire
sa période T.
La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues.
2.2. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur d’eau est égale à 4,0 m,
ainsi que sa nouvelle longueur d’onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données
dans le document 4 ?
Document 3 : Fréquence d’une onde
La fréquence d’une onde est imposée par sa source, donc ne change jamais au cours de la propagation,
et surtout pas en fonction du milieu.
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Exercice 3 : Mesure de la célérité du son dans l’eau.
Pour déterminer la célérité des ondes ultrasonores dans l’eau en travaux pratiques, des élèves disposent des
émetteurs et récepteurs ultrasonores sur les parois d’un aquarium de longueur L = 55 cm à moitié rempli d’eau.
Emetteur et récepteur sont quasiment confondus : la propagation du son peut être considérée comme
perpendiculaire à la paroi. Les salves d’ultrasons émises se
réfléchissent sur la paroi opposée de l’aquarium et sont
détectées par les récepteurs branchés à une interface
d’acquisition : le détecteur situé au-dessus de l’eau est relié à la
voie A, le détecteur immergé à la voie B. Le début de
l’enregistrement est arbitraire et ne correspond pas à l’émission
de la salve. La vitesse du son dans l’air est Vair = 340 m.s-1.
1. Exprimer en fonction de L la distance parcourue par les ultrasons pour effectuer le trajet de l’émetteur au
récepteur.
2. L’enregistrement obtenu est
représenté ci-contre.
a) Que représente ?
b) Sachant que les ultrasons se
propagent plus vite dans
l’eau que dans l’air,
indiquer si la trace n°2
correspond à la voie A ou la
voie B.
c) Déterminer graphiquement .
3. a) La durée mise par le son pour aller de l’émetteur au récepteur dans l’air est nommée t air. Ecrire la
relation entre L, tair et vair.
b) Etablir de même la relation reliant teau, durée de propagation du son dans l’eau, à veau, célérité du son
dans l’eau.
4. Quel lien y a-t-il entre , tair et teau ?
5.
a) Déduire des questions précédentes une expression de veau en fonction de grandeurs connues.
b) Vérifier que la valeur de veau ainsi obtenue est voisine de 1,5.103 m.s-1.
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