Un exemple d'ondes sinusoïdales : les ultrasons

Un exemple d'ondes sinusoïdales : les ultrasons | |
|Thème / Sous-thème (pour l'enseignement spécifique) : |
|Observer - Ondes et particules - Caractéristiques et propriétés des ondes |
|Type de ressources : papier |
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|Notions et contenus : |
|Ondes progressives périodiques, ondes sinusoïdales. |
|Ondes sonores et ultrasonores. |
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|Compétences exigibles : |
|- Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes |
|mécaniques |
|dans la matière. |
|- Pratiquer une démarche expérimentale mettant en ?uvre un capteur ou un |
|dispositif |
|de détection. |
|- Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de |
|propagation |
|(célérité). |
|- Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la période, la |
|fréquence, la |
|longueur d'onde et la célérité d'une onde progressive sinusoïdale. |
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|Nature de l'activité : Activités expérimentales |
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|Résumé : |
|Dès le début de l'année, présenter aux élèves différentes activités |
|expérimentales type ECE avec travail sur les compétences (évaluation formative),|
|réalisées sur plusieurs séances. |
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|( activité documentaire de présentation des ultrasons (partie I), |
|( activité expérimentale : L'émetteur utilisé émet-il des ondes ultrasonores ? |
|(partie II) |
|( activité expérimentale : Quelle est la célérité des ondes ultrasonores ? |
|(partie III) |
|( activité expérimentale : Quelle est la longueur d'onde des ondes |
|ultrasonores ? (partie IV) |
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|Mots clefs : TP ondes ultrasonores, compétences, type ECE |
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|Académie où a été produite la ressource : http://www.pedagogie.ac-nantes.fr |
Étude d'un exemple d'ondes sinusoïdales Compétences exigibles
? Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes
mécaniques dans la matière.
? Pratiquer une démarche expérimentale mettant en ?uvre un capteur ou un
dispositif de détection.
? Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de
propagation (célérité).
? Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la période, la
fréquence, la longueur d'onde et la célérité d'une onde progressive
sinusoïdale. Contexte
Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage
une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte
de l'énergie sans transporter de matière. Les ondes sont omniprésentes
autour de nous (ondes sismiques, ondes sonores, ...). Les plus courantes
sont mécaniques ou électromagnétiques. Elles peuvent être périodiques ou
non. Nous allons nous intéresser à une catégorie particulière des ondes
sonores : les ultrasons. I - Présentation des ultrasons
Document 1
C'est en 1883 que le physiologiste anglais Francis Galton invente un
"sifflet à ultrasons". En soufflant dans ce sifflet, l'homme ne perçoit
rien alors que les chiens réagissent ! Mais c'est surtout la découverte en
1880, de la piézo-électricité, par les frères Pierre et Jacques Curie, qui
a permis après 1883, de produire facilement des ultrasons et de les
utiliser. En 1915, Paul Langevin met au point la détection des sous-marins
au moyen des ultrasons, ouvrant ainsi un champ d'applications à ces
vibrations non audibles. Depuis, les ultrasons sont utilisés dans de
nombreux domaines (médical, industriel, alimentaire, téléphonie, etc ...).
D'après http://www.palais-decouverte.fr Document 2 Domaine de fréquences
audibles pour l'oreille
humaine D'après « Physique Chimie 2nde, Hachette Education, Collection Durandeau-
Durupthy » Scolaire Document 3 Document 4
Les mesures de célérités
des ultrasons ont été
faites à 20 °C.
|milieu de|céléri|
|propagati|té en |
|on |m.s-1 |
|air |343 |
|eau |1480 |
|PVC |2400 |
|rigide | |
|verre |5300 |
|granite |6200 | Document 5
Une onde est qualifiée de mécanique lorsqu'elle transporte, dans un milieu
matériel, de l'énergie sans transporter de matière. Elle est dite «
transversale » si le déplacement des points du milieu atteints par la
perturbation est perpendiculaire à la direction de la propagation (schéma
a). Au contraire, on la qualifie de « longitudinale » si ce déplacement est
parallèle à la direction de la propagation : la perturbation s'accompagne
alors d'une suite de compressions et de dilatations du milieu (schéma b).
Les ondes sonores correspondent au cas b. À l'aide des documents joints, présentez les ultrasons en 10 lignes
maximum. ( Compétences S'APPROPRIER et COMMUNIQUER (durée conseillée 15 minutes)
II - L'émetteur utilisé émet-il des ondes ultrasonores ? Matériel disponible : Un émetteur d'ondes alimenté, un récepteur d'ondes,
des fils, un oscilloscope à mémoire et sa notice, un mètre. 1 - À l'aide du matériel mis à disposition, proposer un protocole
expérimental permettant de savoir si l'émetteur mis à votre disposition
émet bien des ultrasons.
Le protocole expérimental doit expliciter la façon dont vous allez utiliser
le matériel, les mesures à réaliser, ainsi que les éventuels calculs à
effectuer pour répondre au problème posé. ( Compétence ANALYSER (durée conseillée 15 minutes)
( Appel professeur 1 pour vérification du protocole ou en cas de
difficultés
2 - Réaliser le protocole et répondre à la question posée en justifiant. ( Compétence RÉALISER (durée conseillée 20 minutes)
( Appel professeur 2 pour vérifications ou en cas de difficultés Remarque : un travail peut alors être mené en classe à l'issue de la séance
sur la compétence VALIDER
(capacités : utiliser du vocabulaire de la métrologie ; estimer
l'incertitude d'une mesure). Un exemple de travail de ce type est présenté ci-dessous. 3 - La grandeur que vous venez de déterminer est une des caractéristiques
de l'onde émise. Cette valeur n'est pas une valeur exacte. Elle est
entachée d'une incertitude due, entre autres, aux mesures, aux appareils,
etc ... La valeur vraie de la grandeur mesurée est donc comprise entre une
valeur minimale et une valeur maximale avec un certain niveau de confiance.
Le résultat final de la grandeur mesurée s'exprime donc de la façon
suivante : grandeur mesurée = valeur mesurée [pic] l'incertitude (ou incertitude
élargie) L'incertitude d'une mesure M est très souvent notée U(M) ou encore ?M.
Cette incertitude dépend du niveau de confiance (ex 95%, 98%...) désiré. On écrira donc le résultat sous la forme : grandeur = valeur mesurée
[pic] U(M) avec la bonne unité La façon d'évaluer l'incertitude vous sera toujours donnée.
Dans le cas de la fréquence des ultrasons, l'incertitude est définie par
[pic][pic]
L'incertitude sur la mesure de T se calcule de la façon suivante : U(T) =
2.[pic]. [pic]
q étant la résolution, c'est-à-dire la plus petite graduation lue sur
l'oscilloscope avec le calibre choisi. Évaluer l'incertitude U(f) sur la fréquence avec un niveau de confiance de
95 % Exprimer le résultat de la mesure de la fréquence sous la forme f =
fmesurée [pic] U(f) et donner un encadrement de la fréquence. |Compétences |Critères d'évaluation |Évaluation |
|évaluées |(observables) | |
|S'approprier |( Découverte en 1883 par F. | |
| |Galton (anglais) qui invente le | |
| |sifflet à ultrasons, | |
| |( Les ultrasons sont des ondes | |
| |mécaniques (transport de | |
| |l'énergie dans un milieu | |
| |matériel sans transport de | |
| |matière), | |
| |( Ce sont des ondes | |
| |longitudinales (déplacement des | |
| |points est parallèle à la | |
| |direction de la propagation de |