Lycée Louis Massignon Terminale série S
SCIENCES PHYSIQUES DEVOIR COMMUN N°1
Durée de l’épreuve 2h
L’usage de la calculatrice est autorisé Le sujet comporte un total de 6 pages
Il sera tenu compte de la qualité de la rédaction et de la cohérence des
chiffres significatifs
Exercice 1 : ETUDE D’ONDES MECANIQUES PROGRESSIVES (14,5 points)
Les différentes parties de cet exercice sont indépendantes entre elles.
Partie I : évolution d’une perturbation le long d’un ressort
Une perturbation se propage de gauche à droite le long d’un ressort à spires non jointives.
On observe l’état du ressort à 3 dates t0 = 0 s, t1 = 0,20 s et t2 = 2,4 s
Echelle : 1,0 cm par division 1. Donner la définition d’une onde mécanique progressive.
2. S’agit-il d’un phénomène périodique ? Justifier.
3. Déterminer la célérité v de cette perturbation en m.s-1. 4. Quelle est la durée t’ de la déformation ? Détailler le calcul.
5. Cette déformation est-elle longitudinale ou transversale ? Justifier.
6. Déterminer le retard du point B par rapport au point A.
Partie II : la houle
La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs !
Les documents utiles à la résolution sont rassemblés page suivante.
Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2.
1. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l’eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence 𝑓 = 23,0 𝐻𝑧. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l’onde sinusoïdale générée par le vibreur.
2. Vérifier l’homogénéité de la première formule de vitesse donnée dans le document 2.
3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s’est formée avec une longueur d’onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire sa période T.
4. La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues.
Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d’onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 3 ?
A B
DOCUMENTS DE LA PARTIE II Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes.
Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l’eau.
- cas des ondes dites « courtes » (en eau profonde) :
longueur d’onde λ faible devant la profondeur h de l’océan (λ < 0,5 h) 𝑣 = √𝑔 × 𝜆
2𝜋
𝑣 - cas des ondes dites « longues » (eau peu profonde) :
longueur d’onde λ très grande devant la profondeur de l’océan (λ > 10h) 𝑣 = √𝑔 × ℎ
Document 3 : Déferlement des vagues sur la côte.
En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d’onde, les particules d’eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d’onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l’onde s’accompagnent d’une augmentation d’amplitude. La période est la seule propriété de l’onde qui ne change pas à l’approche de la côte.
Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l’onde, et lorsque la crête n’est plus en équilibre, la vague déferle.
D’après http://ifremer.fr/
Partie III : le son
1. Etude de sons : Différents sons sont enregistrés à l’aide d’un microphone.
14 cm
Son 1 Son 2
Son 4 Son 3
La tension obtenue pour chacun d’eux est visualisée sur l’écran d’un oscilloscope dont les sensibilités sont : Horizontalement : 2,0 ms/div – Verticalement : 50 mV/div.
a. Donner la période T et la fréquence f du son 4.
b. Indiquer, en expliquant clairement mais sans forcément faire de calculs, quel est parmi ces sons celui qui est le plus fort.
c. De même, indiquer quel est parmi ces sons celui qui est le plus grave ?
d. Existe-t-il dans ces enregistrements des sons de même hauteur ? Si oui, lesquels.
e. Quelle est la particularité du son 3 ? Justifier votre réponse.
f. Tracer, sans souci d’échelle mais en donnant les fréquences des pics, l’allure du spectre (ou transformée de Fourier) du son 3.
2. Mesures à l’aide d’un sonomètre : un haut parleur (H.P.) émet un son d’amplitude constante.
On mesure le niveau sonore à différentes distances du H.P. à l’aide d’un sonomètre.
Données :
- L’intensité sonore I est la puissance P (en W) de la vibration sonore reçue par unité de surface S (en m2) : 𝐼 =𝑃
𝑆.
- On admettra ici que la puissance sonore émise par le H.P. garde une valeur totale constante lors de sa progression dans l’air et qu’elle se répartit équitablement sur un hémisphère de rayon R et de surface S = 2 R2.
- Seuil d’audibilité : I0 = 1,0 10 –12 W.m –2 ; Niveau sonore : 𝐿 = 10 × 𝑙𝑜𝑔 (𝐼
𝐼0) ; - Propriété de la fonction logarithme décimal : si y = log(x), alors x = 10y.
a. Montrer que lorsque la distance entre le récepteur (sonomètre) et l’émetteur (H.P.) double, l’intensité sonore est alors réduite d’un facteur 4.
b. Déterminer l’intensité sonore I à 5,0 m du H.P. si le niveau sonore mesuré est L = 90 dB.
c. En déduire le niveau sonore L’ mesuré par le sonomètre à 10 m du H.P.
hémisphère s
distance H.P.
sonomètre
Exercice 2 : POURQUOI UNE ERUPTION SOLAIRE PERTURBE-T-ELLE NOS TELEPHONES PORTABLES ? ( 4,5 points)
DOCUMENT 1 : Extrait d’article publié le 21/06/2013 dans Sciences et Avenir
UN PIC D'ACTIVITÉ. Vous avez eu du mal à passer certains appels téléphoniques ces derniers temps ? Votre GPS mettait un peu plus longtemps que de coutume à vous localiser sur la carte ? Votre téléphone ramait un peu pour ouvrir cette satanée page web en 3G ? La faute en était peut-être à une bouffée de particules émises par notre astre de feu...
DOCUMENT 2 : Les éruptions solaires
Des perturbations dues aux éruptions solaires sont ressenties sur la haute atmosphère terrestre et le proche environnement spatial. Ces perturbations sont dues au rayonnement électromagnétique et aux particules chargées constituant le vent solaire. Les rayons X et ultraviolets parviennent au niveau de l'orbite terrestre huit minutes et trente secondes après un événement et perturbent les télécommunications radioélectriques. Les protons solaires atteignent la Terre une heure environ après l'éruption ; ils peuvent créer des anomalies dans le fonctionnement du matériel embarqué à bord des satellites et éroder les panneaux solaires. Enfin, un flux constitué principalement d'ions et d'électrons arrive en moyenne deux jours après l'éruption et déclenche des orages géomagnétiques (aurores polaires).
DOCUMENT 3 : Rayonnements solaires parvenant sur Terre
1. Relevez les particules émises par les éruptions solaires, qui sont citées dans le document 2.
2. Indiquer si les effets des rayons X et des ultraviolets sont ressentis sur Terre ou en haute atmosphère. Argumenter.
3. Parmi les rayonnements de la figure 3, quels sont ceux qui sont les plus énergétiques ? Argumenter.
4. En utilisant les informations des documents à votre disposition, montrer, à partir de la propagation des rayons X et UV, que la distance Soleil-Terre est proche de 150 millions de km.
5. À quelle vitesse, en km.s-1, se propagent les protons solaires ?
Formule reliant l’énergie E d’un rayonnement à sa longueur d’onde λ :
𝑬 =𝒉 × 𝒄 𝝀 Avec :
h constante de Planck c célérité de la lumière
