NOM: Prénom: Devoir N°3 T.S Exercice 1 ( 13 points) : Ondes ...

NOM: Prénom: Devoir N°3 T.S
Exercice 1 ( 13 points) : Ondes ultrasonores et une application
Cet exercice a pour objectifs de determiner, dans la partie 1, quelques
grandeurs caractéristiques des ultrasons puis, dans la partie 2, d'étudier
une application des ultrasons:
l'échogramme du cerveau.
1. Étude des ultrasons
Au cours d'une séance de travaux pratiques, un élève réalise le montage de
la figure 1. Il dispose du matériel suivant:
- un émetteur d'ultrasons E et son alimentation électrique.
Sa plage d'émission est [20 kHz ; 60 kHz].
-deux récepteurs d'ultrasons R1 et R2;
- un système d'acquisition relie a un ordinateur muni d'un logiciel de
traitement de données;
- une règle graduée.
L'émetteur E génère une onde ultrasonore progressive sinusoïdale qui se
propage dans l'air jusqu'aux recepteurs R1 et
R2. L'émetteur et les deux récepteurs sont alignes. Le récepteur R1 est
place au zéro de la règle graduée.
[pic] [pic]
Les signaux captes par les récepteurs R1 et R2 sont visualises en même
temps grâce a un logiciel de traitement de données. Lorsque le récepteur R2
est situe a d = 2,8 cm du récepteur R1, les signaux reçus par les deux
récepteurs sont en phase (Fig. 2).
a) Indiquer quelle courbe représente le signal reçu par R2. ( a justifier)
b) Déterminer grâce a l'enregistrement la période T des ultrasons émis.
c) Quelle est la grandeur portée en ordonnée? Indiquer son unité.
d) Exprimer la fréquence des ultrasons et la calculer. La valeur obtenue
est-elle cohérente ?
On éloigne lentement R2 le long de la règle (Fig. 3) : on constate que le
signal reçu par R2 se décalé vers la droite.
On continue à éloigner R2 jusqu'a ce que les signaux reçus par R1 et R2
soient a nouveau en phase. Soit R'2 la nouvelle position occupée par R2. La
distance d' séparant désormais R1 de R'2 est
d' = 4,2 cm.
e) Définir en une phrase la longueur d'onde ?.
f) Donner la valeur de la longueur d'onde de l'onde ultrasonore. (à
justifier)
g) Exprimer le retard ? du signal reçu par R'2 par rapport a celui reçu par
R2.
h) Exprimer puis calculer la célérité des ultrasons dans l'air.
i) Sans faire de calculs, indiquer quel est le retard de R'2 par rapport a
R1. (a justifier).
j) Cette expérience aurait-elle été facile a mettre en ?uvre avec un haut
parleur émettant un signal de 80 Hz et deux micros ? (réponse à justifier
par un calcul) 2. L'échogramme du cerveau
Une sonde, jouant le rôle d'émetteur et de récepteur, envoie une impulsion
ultrasonore de faible durée et de faible puissance en direction du crane
d'un patient. L'onde sonore pénètre dans le crane, s'y propage et s'y
réfléchit chaque fois qu'elle change de milieu de propagation. Les signaux
réfléchis génèrent des échos qui, au retour sur la sonde, y engendrent une
tension électrique très brève. Un système d'acquisition relie a la sonde
permet la détection a la fois de l'impulsion émettrice et des divers échos
(Fig. 4).
[pic] [pic]
L'enregistrement obtenu sur un patient permet de tracer l'échogramme de la
figure 5. La durée d'émission de
L'impulsion ainsi que celle des échos étant très brèves, on observe sur
l'écran des pics verticaux : P0, P1, P2, P3.
P0 correspond à l'émission a l'instant de date t= 0 s de l'impulsion. La
célérité des ultrasons dans les hémisphères est v=1,5.103 m.s.-1.
a. Attribuer une signification aux pics P1, P2 et P3.
b. En déduire la largeur L de chaque hémisphère. Exercice 2 ( 7 points) : Séisme dans le Jura
Les données utilisées dans cet exercice sont issues des sites Internet du
Réseau national de surveillance sismique et de l'Ecole et Observatoire des
Sciences de la Terre.
L'enregistrement obtenu sur un patient permet de tracer l'échogramme de la
figure 5. La durée d'émission de l'impulsion ainsi que celle des échos
étant très brèves, on observe sur l'écran des pics verticaux : P0, P1, P2,
P3.
Le 23 février 2004, un séisme de magnitude 5,1 selon le Réseau national de
surveillance sismique s'est produit a Roulans (dans le département du
Doubs), a 20km au nord-est de Besançon. Ce séisme a été ressenti dans tout
l'est de la France, en Suisse et dans le nord-ouest de l'Allemagne, sans
faire de victimes ni de dégâts significatifs. Lors d'un séisme, des ondes
traversent la Terre. Elles se succèdent et se superposent sur les
enregistrements des sismographes. Leur vitesse de propagation et leur
amplitude sont modifiées par les structures géologiques traversées. Les
signaux enregistres sont la combinaison d'effets lies a la source, aux
milieux traverses et aux instruments de mesure. Parmi les ondes sismiques,
on distingue :
. les ondes P ou ondes primaires, qui sont des ondes de compression ou
ondes longitudinales ; leur célérité vp vaut en moyenne vp = 6,0 km.s-1 .
. les ondes S ou ondes secondaires, appelées également ondes de
cisaillement ou ondes transversales ; leur célérité vS vaut en moyenne vS =
3,5 km.s-1. [pic] 1°) Etude d'un sismogramme
L'écart entre les dates d'arrivée des ondes P et S renseigne sur
l'éloignement du lieu ou le séisme s'est produit,
la Figure 1 présente un extrait de sismogramme relève dans une station
d'enregistrement après le séisme de
Roulans.
On notera t0 la date correspondant au début du séisme, date a laquelle les
ondes P et S sont générées simultanément.
a) En utilisant des informations du texte introductif, associer, a chaque
train d'ondes observe sur le
Sismographe, le type d'ondes détectées (ondes S ou ondes P). Justifier.
b) Relever sur ce document les dates d'arrivée des ondes S et P a la
station d'enregistrement, notées ts et tp.
c) Soit d la distance qui sépare la station d'enregistrement du lieu ou le
séisme s'est produit.
Exprimer la célérité notée vs des ondes S en fonction de la distance d
parcourue et des dates ts et t0.
Faire de même pour les ondes P avec les dates tp et t0.
d) Retrouver l'expression de la distance d :
[pic]
e) En déduire la valeur numérique de cette distance d.
2°) A propose des séismes
a) A partir de l'épicentre, les ondes sismiques se propagent-elles dans une
direction privilégiée ?
b) Se propagent-elles avec transport de matière ?
c) A propos des ondes P, le texte évoque des ondes longitudinales. Définir
une onde longitudinale.
d ) Pourquoi le texte donne-t-il les valeurs moyennes pour les célérités
des ondes sismiques ?
Exercice 3 (8 points) : étude de documents sur les ondes électromagnétiques
Questions (réponses a rédiger d'après les documents de la page suivante):
1. Rappeler les longueurs d'onde limites du spectre visible de la lumière :
donner les couleurs correspondantes.
2. Une onde électromagnétique peut-elle se propager dans le vide ? Si oui,
quelle est sa vitesse dans le vide ?
Comment s'appelle cette vitesse ?
3. Rappeler la relation entre fréquence et longueur d'onde pour une onde
électromagnétique se propageant dans
le vide. Préciser la signification et les unités de chaque terme. Calculer
alors les fréquences limites du spectre
visible de la lumière.
4. Sur le document 2, entourer en rouge les longueurs d'onde qui peuvent
traverser facilement l'atmosphère terrestre. Préciser sur la copie la
nature des rayonnements correspondants.
5. En déduire les rayonnements non détectables depuis la Terre. Comment
peut-on alors observer ces rayonnements ?
6. A l'aide de la loi de Wien, calculer la longueur d'onde du maximum
d'intensité pour une lampe halogène.
A quelle zone de rayonnement appartient-elle ?
7. Toujours en utilisant la loi de Wien, expliquer comment évolue la
longueur d'onde du maximum d'intensité en fonction de la température du
corps chaud.
8. Préciser en justifiant, si la lumière fournie par une ampoule halogène
est plus rouge ou plus blanche que la lumière fournie par une ampoule a
filament classique. Justifier l'utilisation du verre de protection qui
absorbe les UV. Document 1 : Petit historique
Les premiers astronomes observaient le ciel a l'?il nu.
Au XVIIe siècle, les lunettes astronomiques et les télescopes apparaissent
: ces instruments ne permettaient d'observer que les astres les plus
lumineux.
Au XIXe siècle, on commence à utiliser la photographie. Une pellicule photo
est photosensible : plus la quantité de lumière reçue par la pellicule est
importante, plus le contraste final sur la pellicule est grand. Pour
augmenter la quantité de lumière reçue, il suffit de laisser l'appareil
photo dirige vers les astres à observer pendant plusieurs heures. Ainsi, si
le temps de pose est suffisamment long, certains astres peu lumineux
pouvant apparaitre sur la pellicule.
Au XXe siècle, l'électronique fait son apparition : on utilise des photo
capteurs plus sensibles que les pellicules photo.
Mais, tous ces appareils se limitent a une observation du domaine visible
des ondes électromagnétiques : l'étude d'une importante partie du spectre
électromagnétique est ignorée.
[pic]
[pic]
Document 4: Sources lumineuses
- En faisant passer un courant électrique dans le filament d'une ampoule,
la température du filament s'élève : la couleur de la lumière émise par
cette ampoule dépend alors de la température du filament.
- Les lampes halogènes contiennent un filament au tungstène chauffe a 3200
K, une température plus élevée que dans les ampoules a filament classique.
Une ampoule halogène a toujours un verre de protection qui absorbe les UV.
- L'inconvénient des sources thermiques est qu'une grosse partie de
l'énergie électrique n'est pas utilisée pour produire de la lumière, mais
de la chaleur.
[pic]
Correction.
Exercice 1 ( 13 points) : Ondes ultrasonores et une application
1.a. La courbe de plus faible amplitude représente le signal reçu par R2
car il est plus éloigné de l'émetteur que R1.(1 point).
1.b. (1 point).
| |échelle |2 motifs |
|mesures |7,6 cm | 5,7 |
|temps |105 ?s |2