a propos des ondes

1S
Cours Physique
Exercices du chap5 : propagation des ondes
Ex1 : PROPAGATION D'UNE ONDE LE LONG D'UNE CORDE Une très longue corde élastique inextensible est disposée horizontalement
sur le sol. Un opérateur crée une perturbation en imprimant une brève
secousse verticale à l'extrémité S de la corde (figure 1).
1. Considérations générales.
Préciser la direction de propagation de l'onde et la direction du mouvement
du point M. En déduire si l'onde est transversale ou longitudinale. 2. Étude chronophotographique.
La propagation de l'onde le long de la corde est étudiée par
chronophotographie (figure 2).
L'intervalle de temps séparant deux photos consécutives est (t = 0,25 s.
Définir puis calculer la célérité de l'onde. Pendant quelle durée un point
de la corde est-il en mouvement ? 3. Évolution temporelle du déplacement vertical de plusieurs points de la
corde.
L'évolution au cours du temps des altitudes zA et zB de deux points A et B
de la corde est l'objet de la figure 3.
L'instant de date t0 = 0 s correspond au début du mouvement de S.
1. Lequel de ces deux points est touché le premier par la perturbation ?
2. Lequel de ces deux points est situé le plus près du point source S de
la corde ?
3. Quel retard le point touché en second présente-t-il dans son mouvement
par rapport au point touché en premier ?
4. Quelle est la valeur de la distance séparant les points A et B ?
5. Un troisième point C commence son mouvement à l'instant de date tC =
0,50 s. Préciser sa position par rapport à A.
6. Représenter sur un schéma la position des points A, B et C (échelle 2
cm pour 1 m) par rapport au point source S. 4. Influence de quelques paramètres sur la célérité de l'onde.
Les courbes ci-dessous (figures 4, 5 et 6) donnent l'évolution au cours du
temps du déplacement vertical d'un point K d'une corde situé à la distance
fixe d = SK du point source S ; l'instant de date t0 = 0 s correspond au
début du mouvement de S ;
On étudie successivement l'influence de : la forme de la perturbation ; la
tension de la corde ; la nature de la corde.
1. Influence de la forme de la perturbation.
La même corde est utilisée : sa tension est la même dans les deux
expériences. La forme de la perturbation modifie-t-elle la célérité ?
2. Influence de la tension de la corde
La même corde est utilisée ; lors de l'expérience 2-a, sa tension est plus
faible que lors de l'expérience 2-b. La tension de la corde modifie-t-elle
la célérité et si oui, dans quel sens ?
3. Influence de la nature de la corde.
La tension est la même dans les deux expériences ; la masse linéique de la
corde utilisée pour l'expérience 3-a est plus faible que celle de la corde
utilisée pour l'expérience 3-b. La masse linéique de la corde modifie-t-
elle la célérité et si oui, dans quel sens ? Rappel : la masse linéique ( est la masse par unité de longueur ; pour une
corde de masse M et de longueur L, on a donc : ( = [pic] Ex2 : LE SON CHEZ LES DAUPHINS
Beaucoup d'animaux tels que les dauphins, les éléphants, et les chauves-
souris utilisent des «sons» pour communiquer entre eux, chasser leur proie
ou pour se localiser. Le cas des dauphins est particulièrement intéressant
étant donné leur capacité à utiliser ce mode de « langage » presque à
l'égal des humains comme le disent certains scientifiques.
Généralités sur les sons Un son est un phénomène physique lié à la transmission d'un mouvement
vibratoire. Tout objet susceptible de vibrer peut générer un son aussi
longtemps que les vibrations sont entretenues. Pour entendre un son, il
faut que les vibrations soient transportées jusqu'au récepteur par un
milieu, par exemple l'air mais aussi les liquides et les solides. Les
molécules du milieu qui reçoivent une impulsion sont mises en mouvement
dans une certaine direction. Elles rencontrent d'autres molécules qu'elles
poussent devant elles en formant ainsi une zone de compression. A la
compression succède une détente et ainsi de suite: il s'établit alors une
série d'oscillations qui se transmettent de proche en proche. 1. Définir une onde mécanique.
2. Un modèle permettant d'étudier la propagation des sons consiste à
découper le milieu de propagation en tranches identiques susceptibles de
se comprimer et de se détendre. On fait correspondre à chaque tranche un
chariot et un ressort (voir figure 1 annexe).Une brève impulsion sur le
premier chariot permet de simuler la propagation d'une onde.
a) D'après le modèle, l'onde sonore est-elle longitudinale ou transversale
? Justifier la réponse.
b) De quelle propriété du milieu, modélisée par le ressort, la célérité
d'une onde mécanique dépend-elle ?
c) De quelle propriété du milieu, modélisée par la masse d'un chariot, la
célérité d'une onde mécanique dépend-elle ? Le biosonar des dauphins: écholocalisation Le dauphin est un mammifère de la famille des cétacés. Il perçoit, comme
l'homme, les sons ayant une fréquence de 20 Hz à 20 kHz. Il est aussi
capable d'émettre et de capter des ultrasons lui permettant de se localiser
par écho grâce à un sonar biologique. 1. A quelles fréquences se situent les ultrasons ?
2. Pour étudier expérimentalement les ultrasons produits par les dauphins,
on dispose d'un émetteur et de deux récepteurs à ultrasons que l'on place
dans un récipient rempli d'eau. L'émetteur génère une onde ultrasonore
progressive et sinusoïdale. Un oscilloscope permet d'enregistrer les
signaux détectés par chaque récepteur séparé d'une distance d égale à 12
mm, le récepteur 1 étant le plus proche de l'émetteur. On obtient
l'oscillogramme de la figure 2 donné en annexe.
a) Déterminer la fréquence des ondes ultrasonores émises.
b) Quel est le retard que présente la détection des ondes au niveau du
récepteur 2 par rapport au récepteur 1, sachant que ce retard est
inférieur à la périodicité temporelle. En déduire la célérité des
ondes ultrasonores dans l'eau.
c) Définir puis calculer la longueur d'onde des ondes ultrasonores dans
l'eau. 3. Les dauphins n'émettent pas des ultrasons en continu mais des salves
ultrasonores très brèves et puissantes appelées « clics » Ces clics
sont émis par séries formant un large faisceau appelé « trains de
clics ». La durée d'un train de clics et le nombre de clics contenus
dans le train dépendent de leur fonction: localisation du dauphin ou
recherche de nourriture. On suppose que les clics d'un même train sont
émis à intervalles de temps réguliers et ont la même fréquence.
La figure 3 (annexe) est un exemple de clic. La figure 4 (annexe)
représente le train de clics correspondant où les clics sont représentés
par des traits verticaux.
Comparer la durée totale d'un clic et la durée entre deux clics d'un train.
Justifier la représentation d'un train de clics (figure 4). 4. Afin de se localiser, le dauphin émet d'autres clics de fréquence 50 kHz
et de portée de plusieurs centaines de mètres.
Ces clics, espacés de 220 ms se réfléchissent sur le fond marin ou les
rochers et sont captés à leur retour par le dauphin. La perception du
retard de l'écho lui fournit des informations concernant l'aspect du fond
marin ou la présence d'une masse importante (bateau ou nourriture). La
célérité des ultrasons dans l'eau salée à 10 m de profondeur est de 1530
m.s-1.
a) La figure 5 (annexe) montre, pour un même train, les clics émis et
reçus par écho. Déterminer l'intervalle de temps (t séparant l'émission
d'un clic et la réception de son écho, sachant que ce retard est
inférieur à la durée entre deux clics.
b) En déduire la distance H à laquelle se trouve le dauphin du fond marin.
|ANNEXE | |
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|Figure 1 | |
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|Figure 2 | |
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|Figure 3 | |
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|Figure 4 | |
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