DS type bac N1 TS3.doc - Valet Physique

Classe : TS3 Durée : 3 h 30
le 19/10/2012
NOM : Prénom :
DEVOIR TYPE BAC N°1.
CALCULATRICE AUTORISEE LES ELEVES FAISANT SPECIALITE PHYSIQUE REMPLACENT L'EXERCICE 1 PAR
L'EXERCICE DE SPECIALITE DONT L'ENONCE EST SUR UNE FEUILLE A PART.
CET EXERCICE EST A REDIGER SUR UNE COPIE SEPAREE DU RESTE. Ex 1 : (5,5 pts) UNIQUEMENT POUR LES ELEVES NE FAISANT PAS LA SPECIALITE
PHYSIQUE.
Membre d'un groupe de rock et très intéressé par la nature et la
propagation du son, Julien réalise les observations suivantes :
- Observation 1 : Aucun signal sonore ne nous parvient du Soleil alors
qu'il s'y déroule en permanence de gigantesques explosions.
- Observation 2 : Une bougie est placée devant un haut-parleur qui émet un
son très grave. On constate que la flamme se rapproche et s'éloigne
alternativement de la membrane du haut-parleur mais qu'elle n'oscille pas
dans la direction perpendiculaire.
1. Définir de la manière la plus complète possible une onde mécanique
progressive.
2. Célérité de l'onde sonore : première méthode.
Trois microphones M1, M2 et M3 sont alignés de telle manière que les
distances M1M2 et M2M3 valent respectivement 2,00 m et 3,00 m. Les signaux
électriques correspondant aux sons reçus par les microphones sont
enregistrés grâce à un ordinateur. Julien donne un coup de cymbale devant
le premier micro M1 puis lance immédiatement l'enregistrement. La
température de la pièce est de 18°C. Les courbes
obtenues sont représentées ci-après.
2.1. Comment peut-on déterminer la célérité Microphone 1
de l'onde sonore à l'aide des courbes
obtenues ?
2.2. Effectuer le calcul de la célérité
de l'onde sonore pour la distance M1M2
puis pour la distance M2M3.
2.3. Les résultats obtenus sont-ils
cohérents ?
Microphone 2
Microphone 3
3. Célérité de l'onde : deuxième méthode.
Julien dispose maintenant les deux microphones M1 et M2 à la même distance
d d'un diapason. Il obtient les courbes représentées ci-dessous. On
remarque que les signaux sont en phase.
Microphone M1 Microphone M2
3.1. Déterminer la période puis la fréquence du son émis par le diapason.
Julien éloigne le microphone M2 peu à peu jusqu'à ce que les courbes
soient de nouveau en phase. Il réitère l'opération jusqu'à compter cinq
positions pour lesquelles les courbes sont à nouveau en phase. La distance
D entre les deux microphones est alors égale à 3,86 m.
3.2. Pourquoi compte-t-on plusieurs retours de phase plutôt qu'un seul ?
3.3. Définir la longueur d'onde. Déduire sa valeur numérique de
l'expérience précédente.
3.4. Calculer alors la célérité de l'onde.
4. Accorder une guitare
Pour accorder sa guitare, Julien utilise un diapason qui émet un son pur.
Un des amis de Julien enregistre le son à l'aide son téléphone portable
pour obtenir les enregistrements ci-dessous |[pic] |[pic] |
1. Attribuer chaque courbe à son instrument en justifiant.
4.2. Déterminer la fréquence de la fondamentale du son émis par la guitare.
4 ;3. Quelle propriété du son est associée à cette fréquence ?
4.3. La guitare et le diapason sont-ils accordés ?
On réalise une analyse spectrale du son de la guitare fournie en figure c
4.4. A quoi correspondent les différents pics ? Quelle propriété
du son associe-t-on à la présence et à leur amplitude relative ?
4.5. Représenter le spectre du diapason.
Julien produit un son qui atteint une intensité sonore
I = 1,0x10 -7W.m-2 en point M de la salle, situé à quelques mètres
de la scène.
Donnée : I0 = 1,0.10 -12 W.m-2.
4.6. Calculer la valeur du niveau sonore L que mesure le sonomètre
du technicien du son à ce point.
4.7. Lorsque tout le groupe se met à jouer l'intensité sonore est
multipliée par quatre. Que peut-on dire du niveau d'intensité
sonore ? Justifier. Ex 2 : (6 pts) Où il est question de lumière.
I- Un premier phénomène.
Un faisceau de lumière, parallèle monochromatique. de longueur
d'onde (, produit par une source laser arrive sur un fil vertical,
de diamètre a (a est de l'ordre du dixième de millimètre). On
place un écran à une distance D de ce fil; la distance D est
grande devant a (cf. figure 1 ci-contre).
1. La figure 2 ci-dessous présente l'expérience vue de dessus
et la figure observée sur l'écran. Nommer ce phénomène.
2. Faire apparaître sur la figure 2 l'écart angulaire ( et
la distance D entre l'objet diffractant (en l'occurrence le fil)
et l'écran.
3. En utilisant la figure 2 exprimer l'écart angulaire ( en
fonction des grandeurs L et D sachant que pour de petits
angles exprimés en radian : tan ( ( (.
4. Quelle expression mathématique lie les grandeurs (, ( et a ?
(On supposera que la loi est la même que pour une fente de
largeur a). Préciser les unités respectives de ces grandeurs physiques.
5. En utilisant les résultats précédents, montrer que la largeur L de la
tâche centrale de diffraction s'exprime par : L = [pic]
6. On dispose de deux fils calibrés de diamètres
respectifs a1 = 60 µm et a2 = 80 µm. Figure 3
On place successivement ces deux fils verticaux dans le dispositif présenté
par la figure 1. On obtient sur l'écran deux figures de diffraction
distinctes notées A et B (cf. figure 3 ci-dessus). Associer, en le
justifiant, à chacun des deux fils la figure de diffraction qui lui
correspond. On cherche maintenant à déterminer
expérimentalement la longueur d'onde
dans le vide ( de la lumière
monochromatique émise par la source
laser utilisée. Pour cela, on place devant
le faisceau laser des fils calibrés
verticaux. On désigne par « a » le
diamètre d'un fil. La figure de
diffraction obtenue est observée sur
un écran blanc situé à une distance
D = 2,50 m des fils.
Pour chacun des fils, on mesure la
largeur L de la tâche centrale de
diffraction. On trace la courbe L = f(1/a) (cf. figure 4, ci-contre)
7. La lumière émise par la source laser est dite monochromatique. Quelle
est la signification de ce terme ?
8. Montrer que l'allure de la courbe L = f(1/a) obtenue est en accord avec
l'expression de L donnée en 5.
9. Donner l'équation de la courbe L = f(1/a) et en déduire la longueur
d'onde ( dans le vide de la lumière monochromatique constitutive du
faisceau laser utilisé.
10. Calculer la fréquence de la lumière monochromatique émise par la source
laser.
II- Un deuxième phénomène.
Lorsqu'on envoie la lumière d'un laser de longueur d'onde ( = 632,8 nm sur
deux fentes verticales identiques d'ouverture a et distantes entre elles
d'une longueur l, on obtient l'image ci-dessous sur l'écran, situé à la
distance D = 2,0 m des fentes.
1. Quel phénomène caractéristique des ondes se produit ici ?
2. On mesure une distance de 9,5 cm entre 11 franges sombres (ATTENTION au
nombre d'interfranges). Déterminer l'écart l entre les deux fentes.
Justifier clairement votre démarche.
3. Que peut-on dire quant aux deux ondes lumineuses au niveau des franges
brillantes ? Sombres ?
4. Prévoir l'évolution de la figure observée si l'on modifie les paramètres
suivants, les autres paramètres expérimentaux restant inchangés :
a- On écarte les deux fentes ;
b- On remplace le laser rouge par un laser vert.
Données : Domaine de longueur d'onde du rouge : 620-780 nm ; domaine de
longueur d'onde du vert : 500-578 nm. Ex 3 : (8,5 pts). Détection d'une exoplanète. Document 1 : Présentation de la méthode
Document 2 : Evolution au cours du temps du spectre d'absorption de la
lumière de l'étoile étudiée.
En première approximation, l'intervalle de temps moyen séparant la prise de
deux spectres consécutifs est 1 jour. Document 3 : Evolution de la vitesse radiale (coordonnées de la vitesse
suivant la direction de
visée) de l'étoile Document 4 : Vitesse de révolution d'une étoile en mouvement conditionné
par la présence d'une exoplanète et évolution de son spectre suite à son
mouvement. |[pic] | |
|Photo 1 |Photo 2 |
| | |
|Photo 3 |Photo 4 | Travail à effectuer : L'objectif de cet exercice est de rédiger une synthèse de documents afin
d'expliquer comment l'effet Doppler permet de mettre en évidence la
présence d'une exoplanète autour de l'étoile étudiée. Le texte rédigé, maximum 30 lignes, devra être clair et structuré, et
l'argumentation reposera sur les données graphiques et numériques issues
des documents proposés.
AIDE À LA RÉDACTION DE LA SYNTHÈSE
1. Utiliser le document 1 pour identifier deux difficultés qui limitent la
détection directe de l'exoplanète.
2. Étude du document 2. Quelle observation peut-on faire concernant la
position des raies d'absorption ? En faisant référence à l'effet Doppler,
qu'est-ce que cela implique concernant la source ?
3. Étude du document 3. Quelle observation confirme la déduction précédente
? Relier les documents 2 et 3 en indiquant, sans calcul, comment on passe
de l'un à l'autre.
4. Interpréter les observations précédentes en utilisant le document 4.
5. Conclure en précisant les éléments qui ont permis de détecter la
présence de l'exoplanète.
----------------------- [pic]
[pic] [pic] Figure 2 : vue de dessus, le fil est perpendiculaire au plan de la figure [pic] [pic]
[pic] [pic]
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La question de la présence d'une vie extraterrestre co