TP de Physique - s´ eances 12 et 13 Chap 12 et 13: Les ondes et le son

TP de Physique - s´ eances 12 et 13 Chap 12 et 13: Les ondes et le son

Questions pour r´ efl´ echir :

Q2. p.522.

^{Endeembre1916,undesastremajeurestsurvenu danslesAlpes}

a un ontingent del'armee autrihienne. A peineavaient-ilsommeneun tir

debarrageauanon,qu'uneavalanhedeneigesedelenha,ensevelissantdes

milliersdesoldats. Quellesproprietesdusonpeut-ondeduiredeetevenement?

Q7. p.522.

^{Quand une orde de guitare est pinee ave un mediateur, elle}

produitunsonplusmetalliquequequandelleestpineeavelesdoigts. Quand

on lapine en sonmilieu, puis progressivementde plusen plus presd'une de

sesextremites,onobtientd'abordunsonassezterne,puisplusrihe,puisplus

metallique. Expliquezesobservations.

Q13 p.523.

^{Pouramplierlesond'undiapason,onlemontesurunebo^teen}

bois,dont l'unedes faesest ouverte. Expliquezommentle sonest amplie.

Enquoilesbo^tesd'ampliationdedeuxdiapasons,l'unde1000Hzetl'autre

de50Hz,diereront-elles?

Exercices: Ressorts

42. [c] p.391.

^{Un ressorta unelongueur aureposegale a}

10, 0

^{m. Lorsqu'il}

est soumis a une fore de

40, 0

^{N, sa longueur devient}

14, 0

^{m. Calulez le}

travail neessaire pour etirer e ressort de

14, 0

^{m a}

18, 0

^m. [Suggestion : faites attentionauxlimitesdel'integrale℄.

43. [II] p.391.

^{Un ressort heliodal a une longueur de}

55

^{m s'il porteune}

hargede

100

^{Netunelongueurde}

57

^{ms'ilporteunehargede}

110

^N.Quelle

est laonstanted'elastiitedeeressort ?

45. [II] p.391.

^{Laliaisond'unatomedans unemoleulepeut^etre modelisee}

parunressort.Estimerlavaleurdelaonstanteelastique,sil'energiepotentielle

emmagasineeest de

2

^eV

= 3, 2 × 10 ⁻¹⁹

^{J,lorsque l'atome est deplae de}

0, 2

nmapartir delaposition d'equilibre.

Exercices: Mouvement sinuso¨ıdal

41. [II] p.484.

^Unbloretangulaire,homogene,demassevolumique

ρ

^{et de}

^otes

a

^,

b

^,

c

^otte,partiellementimmergedansl'eau,avele^otedelongueur

b

vertial. Sionlepousseunpeuverslebaspuisonlel^ahe,ilsemetaosiller.

Montrerquelemouvementestsinusodaletdeterminersa periode.

Exercices: Ondes m´ ecaniques

61. [I] p.485.

^{La vitesse des ondes de ompression dans l'eau pure est de}

1498 m/s

^{. Quelleestlalongueurd'onde d'unsonde}

440 Hz

^dansl'eau?

67. [I] p.485.

^{Laorded'un violonaune masselineiquede}

59 × 10 ^{− 3} kg/m

et unetensionde

10 N

^{. Quelleseralavitessedesondes}transversalessurette orde?

74. [I] p.486.

^{On denit le nombre d'onde}

k = 2π/λ

^{, ou}

λ

^{est la longueur}

d'onde. Montrer qu'une onde sinusodale, qui se propage dans le sens des

x

positifs ave unevitesse

c

^{, peut^etreeritesouslaforme}

ψ = A

^sin

[k(x − ct)]

^.

Montrerqu'elle peutaussi^etreeritesouslaforme

ψ = A

^sin

(kx − ωt)

^.

82. [II] p.486.

^{Le prol d'une onde sinusodale} transversale sur une longue ordeestderit,enunitesSI,parlafontion:

y = 0, 02

^sin

(6, 28x)

^{. Sahantque}

l'ondeaunevitessede

5, 0

^{m/s,determinerlavitesse}transversalemaximumen unpointquelonquedelaorde.

84. [II] p.487.

^{Utiliserl'analyse}dimensionnellepourerireune expressionde la vitessed'une onde de ompression dans unsolide. On s'attend a e que la

vitessedependedumoduledeYounget delamasse volumique. Nouserivons

don

v = KY ^a ρ ^b

^ou

a

^et

b

^{sont deux exposants a determiner et}

K

^{est une}

onstantesans dimensions.

89. [II] p.487.

^Untelegraphe-jouetenvoiedesimpulsionsondulatoirestransver- sales meaniques le long d'une orde tendue. Il opere entre deux maisons

voisines en utilisant une orde de

12

^{m et d'un poids total de}

0, 20

^{N. Que}

doit^etrelatensiondelaordepourquelessignauxsedeplaentaumoinsaussi

viteque si lesutilisateursseparlaientdiretement? Prendrelavitesse duson

dansl'airegalea

333

^m/s.

Exercices: Acoustiques

1. [I] p.525.

^{En musique, la note etalon}

la 3

^{a une frequene de}

440 Hz

^.

Quellessontlaperiodeetlalongueurd'onde orrespondantesa latemperature

ambiante(lavitessedusondansl'airestde340m/s)?

7. [I] p.525.

^{Unesouresonorepontuelleemetuneondedepuissane}

50 W

dansunmilieuhomogene. Determinerl'intensitedurayonnementsonorea

10 m

delasoure. Quelleestl'energiereue,enune seonde,parunpetit deteteur

de

1, 0 cm ²

^desurfaetenuperpendiulairementaladiretiondel'ondea

10 m

delasoure? Onnegligeralespertes.

(12.) [I] p.525.

^{L'une des arateristiquesaoustiques les plus}importantes d'unepieeestsontempsdereverberation. C'estletempsquemetlesonpour

diminuerde

60 dB

^{. Qu'est-e que elasignie en termes d'intensite sonore ?}

Dansunesalle deonert,letempsdereverberationestengeneralde1a

3 s

^.

26. [II] p.526.

^{On onsidere une tige d'un alliage} d'aluminiumde longueur

l0 m

^{, de setion}

1, 0 cm ²

^{, de masse}

2, 7 kg

^{et de module de Young}

E = 7, 0 × 10 ¹⁰ N/m ²

^{. Onfrappesursonextremiteaveunefrequenede}

100 Hz

^.

Combiende temps faut-il pourque le signalsonoreatteigne l'autre extremite

delatige, sahantquelavitessedepropagation v

= (E/ρ) ^1/2

^{? Quelleserala}

longueurd'onde?

32. [II] p.526.

^{Le niveau sonore d'un grand moteur est de}

130 dB

^{a une}

distanede

10, 0 m

^{. Quelleestl'intensitesonorea}

100 m

^dumoteur?

(36.) [II] p.526.

^{Dans une piee, le bruitprovenant d'un aspirateurest de}

80, 0 dB

^{. Une personne regle un poste de radio a}

65, 0 dB

^{. Quel est alors le}

niveau d'intensitedansettepiee?

Exercices: Production et propagation du son

44. [I] p.527.

^{Deux ondessonoresdepulsations}

900, 0 rad/s

^et

896, 0 rad/s

sesuperposent. Quelleest lafrequenedesbattementsresultants?

48. [I] p.527.

^{Un lesttenduentre deux pointsdistantsde}

50 cm

^{. Quelles}

sontleslongueursd'ondesdumodefondamentaletduseondmodeharmonique

?

60. [I]

^{Undispositifmunid'unemetteuret d'un reepteurest introduitdans}

une veineet emet une ondeultrasonique de80000 Hz. L'onde sereehit sur

lesglobulesrougesdusang,etlereepteurapteuneondede80020Hz. Quelle

estlavitesseduuxsanguin? Lavitessedusondanslesangestd'environ1,5

km/s.

(75.) [II] p.528.

^{Unetige de uivrede longueur}

1, 00 m

^{est fortementxee}

en son milieu et mise a vibrer transversalement. Sahant que v

= (E/ρ) ^1/2

^,

sa masse volumique est

8, 9 × 10 ³ kg/m ³

^{et son module de Young est}

11 × 10 ¹⁰ N/m ²

^{,quelleestsa frequene?}

74. [II] p.528.

^Deuxpetitshauts-parleursdistantsde

3, 00 m

^{emettentunson}

de frequene onstante

344 Hz

^{(voir gure P74). On deplae un mirophone}

le long d'une droite parallele a la ligne

S 1 S 2

^{joignant les deux} haut-parleurs et situee a

4, 00 m

^{de ette ligne. On trouve deux maxima d'intensite: le}

premier au point

O

equidistant des deux haut-parleurs, et le seond juste en faedel'undeshaut-parleurs. Utilisantesdonnees,alulezlavitesseduson.

[Suggestion : les ondes doivent arriver en phase pour qu'elles produisent un

maximumd'interferene℄.

84. [III] p.529.

^Lesdeuxhaut-parleursdelagure emettentdessonsdem^eme frequeneeten phase. Montrerqueladistanequilesseparedoitdepasser

1

2 λ

sil'onveutobserverunminimumnulparinterferenequelquepartdanslazone

situeedevantleshaut-parleurs.

QUESTION DE L’EXAMEN D’AO ˆ UT 2006

L'extremitedehaquepointed'undiapasonquivibreaunefrequenede264Hz

sedeplaede1,5mmdepartet d'autredesa position derepos. Calulez:

a) lavitessemaximale;

b) l'aelerationmaximaledel'extremitedehaunedespointesdudiapason.

QUESTION DE L’EXAMEN DE JANVIER 2007

Deux ordesfabriquees danslam^emematieresontattaheesl'unea l'autre;la

deuxieme a un diametre double de elui de la premiere. L'extremitelibre de

lapremiereordeest soumisea unmouvementd'osillationtransversedontla

periode est de 1,0 s. L'onde quise formedans ette orde a une longueur de

1,0m. Quelleest lalongueurdel'ondequiseformedansladeuxiemeorde?

QUESTION DE L’EXAMEN DE JUIN 2010

On arohea un ressort, dont laonstante de rappel est 15 N/m, une boule

dontlamasse estde100g.

a. sionlaisseleressorts'allongertoutdouementensoutenantlaboulejusqu'a

lapositionderepos,deombienleressorts'allongera-t-il?

b. siauontraireonarohelabouleauressortnonallongeet qu'onlal^ahe

brusquement,jusqu'oulabouledesendra-t-elle?

. danseas,enquelpointl'aelerationdelabouleest-ellelaplusgrandeet

ombienvaut-elleene point?

d. enquel pointlavitessedelabouleest-ellelaplusgrandeetquevaut-elle?

QUESTION DE L’EXAMEN D’AOUT 2009

Determinez la frequene de l'osillation d'une pierre suspendue a une orde,

l'amplitudedesosillationsetantde3,0

◦

etlavitessemaximumdelapierrede

0,20m/s. Onnegligelesfrottements.

Suggestions pour les travaux personnels

Choisir12exeries parmislessuivants:

ExeriesdanslehapitreduHeht\Leson": QCM7,QCM15,22,25,26,

28,31,50,68,76

Exeries dans le hapitre du Heht \Osillations et ondes": QCM2,

QCM6,QCM7,QCM20,34,38,40,62,68,80,88,92