TP n°3 Caractériser les phénomènes ondulatoires Capacités expérimentales :
(1) Mettre en œuvre un dispositif expérimental permettant d’illustrer la propagation d’une perturbation mécanique.
(2) Mettre en œuvre un dispositif expérimental permettant de collecter des données sur la propagation d'une perturbation mécanique (vidéo, chronophotographie, etc.)
(3) Mettre en œuvre un dispositif permettant de mesurer la période, la longueur d’onde, la célérité d’une onde périodique.
(4) Mesurer un niveau d’intensité sonore.
I] Étude d’une onde le long d’une corde (Au bureau)
Questions préliminaires : Comment peut-on réaliser la propagation d’une onde le long d’une corde (1) ? Comment peut-on définir une onde le long d’une corde ? On peut lui attribuer les qualificatifs d’onde progressive, mécanique et transversale ; justifiez ces qualificatifs. De quels paramètres dépend la célérité d’une onde le long d’une corde ?
La propagation d’une onde le long d’une corde peut être visualisée à l’aide d’une chronophotographie (2); des photos ont été prises à intervalles de temps réguliers : ∆𝑡 = 0,25 s.
1. Pendant quelle durée un point de la corde est-il en mouvement ? 2. Déterminer la célérité de l’onde le long de la corde.
II] Étude des ondes sonores (Au bureau)
Questions préliminaires : Quand on parle, on émet une onde sonore que l’on peut qualifier de progressive, mécanique et longitudinale, justifiez ces qualificatifs.
Quand on émet un son musical tel qu’un « la » avec la voix ou un instrument de musique, l’onde sonore, à la différence d’un bruit, peut être également qualifiée de périodique, justifier en observant le signal. Le son émis par un diapason est un son pur ; justifier cette appellation.
1. Détermination des caractéristiques d’une onde sonore périodique
À l’aide d’un générateur d’ultrasons émettant des ultrasons en continu, produire des ultrasons et visualiser le signal électrique aux bornes d’un récepteur relié à un oscilloscope.
Schématiser succinctement le montage en faisant apparaître les connexions et la courbe visualisée sur l’oscilloscope.
En choisissant les meilleurs réglages que l’on précisera, déterminer la période temporelle T de l’onde puis la fréquence f des ondes ultrasonores générées.
Justifier que l’onde sonore émise appartient bien à la gamme des ultrasons.
2. Détermination de la célérité du son à l’aide de salves d’ultrasons
À l’aide d’un générateur de salves d’ultrasons et de deux microphones, proposer une détermination expérimentale de la célérité c du son. Représenter schématiquement le montage et les signaux correspondant aux salves observées sur l’écran.
Sachant que la célérité du son est proportionnelle à la racine carré de la température absolue T de l’air exprimée en kelvin et qu’elle est égale à 330 m ∙ s−1 à 0°C, comparer votre valeur expérimentale à la valeur théorique en calculant le pourcentage d’erreur relative.
3. Détermination de périodicité spatiale de l’onde
En revenant à des ondes ultrasonores émises en continu, proposer un protocole permettant la détermination de la périodicité spatiale de l’onde ou longueur d’onde 𝜆 ; on rappelle que la longueur d’onde est la plus distance séparant deux points qui vibrent en phase.
Représenter schématiquement le montage et des signaux en phase observés sur l’écran.
En utilisant la relation qui relie 𝜆 à T : 𝜆 = 𝑐 ∙ 𝑇 ou 𝜆 à f : 𝜆 = 𝑐
𝑓 ; retrouver la valeur de la célérité du son précédemment obtenue. Proposer une relation générale (utilisant un nombre entier n) entre la distance d entre deux points et la longueur d’onde 𝜆 pour que ces deux points vibrent en opposition de phase. Réaliser cette configuration expérimentalement.
II] Atténuation des ondes sonores
1. Atténuation géométrique (Atelier 1)
Rappeler les expressions de l’intensité sonore I, de la puissance sonore P et du niveau sonore L avec leurs unités.
L’intensité sonore décroît avec le carré de la distance à la source. Justifier cette relation théorique puis mettre en œuvre le protocole expérimental suivant permettant de vérifier cette relation.
Utiliser un émetteur et un récepteur ultrason ; mesurer l’amplitude Umax de la tension aux bornes du récepteur (celle-ci est l’ « image » de la puissance sonore reçue) pour différentes distances émetteur- récepteur, de 10 cm à 40 cm par pas de 5 cm.
2. Atténuation par absorption (Atelier 2)
Faire un schéma illustrant l’atténuation sonore par une paroi.
Rappeler l’expression de l’atténuation sonore en donnant la signification des grandeurs mises en jeu.
En utilisant différents matériaux (bois, placoplatre, liège et polystyrène), mettre en œuvre le protocole expérimental suivant permettant de déterminer le matériau le plus absorbant. (5)
Régler au préalable le niveau sonore à vide à environ L0=80 dB pour une fréquence de 250 Hz (puis noter précisément la valeur à vide L0 pour chaque nouvelle fréquence de travail) afin de pouvoir déduire l’atténuation sonore par absorption pour chacun des matériaux et pour chaque fréquence.
f=250 Hz
L0(dB)= f=500 Hz
L0(dB)= f=1 kHz
L0(dB)= f=2 kHz
L0(dB)= f=4 kHz L0(dB)=
L(dB) A(dB) L(dB) A(dB) L(dB) A(dB) L(dB) A(dB) L(dB) A(dB) Bois
Placoplatre Liège
Polystyrène
Matériel
Salle informatique Au bureau :
• Une corde
• Microphone, oscilloscope permettant de visualiser un son audible avec flûte et diapason
• Haut-parleur Élèves :
2 ateliers :
- Atténuation géométrique - Atténuation par absorption
• Générateur et récepteurs d’ultrasons
• Oscilloscope
• Sonomètre
• Tuyau PVC
• GBF et HP
• Plaques
• Tuyau en PVC
