Terminale S AE 3_Les ondes mécaniques sinusoïdales

M.Meyniel 1/3

LES ONDES MECANIQUES SINUSOÏDALES

Objectifs : - Définir la période, la fréquence et la longueur d’onde d’une onde progressive sinusoïdale. - Exploiter les relations entre ces grandeurs.

Mr Bat se demande comment déterminer expérimentalement

les caractéristiques d’une onde ultrasonore.

Document 0 :

Dans cette étude et dans les documents ci-dessous, les ultrasons sont utilisés en mode continu.

Document 1 : Etude des ultrasons en mode continue

On dispose d’un émetteur et d’un récepteur à ultrasons reliés à l’oscilloscope. L’émetteur est réglé en mode continu c’est-à-dire qu’il envoie dans l’air des ultrasons à une fréquence donnée (ici fE = 40 kHz). L’oscilloscope permet de visualiser le signal émis par l’émetteur et celui reçu par le récepteur.

Faire les réglages préliminaires de l’oscilloscope.

Sur le banc d’optique, installer l’émetteur et le récepteur. Relier l’émetteur à la voie 1 de l’oscilloscope

et le récepteur à la voie 2.

Brancher l’émetteur et le mettre sous tension.

Document 2 : Comment les ondes sonores et ultrasonores se propagent-elles ?

On peut observer les vibrations en un point en fonction du temps grâce à un oscilloscope.

Document 3 : Notion de déphasage

Lorsque l’on compare deux signaux de même fréquence, il est nécessaire d’indiquer Le décalage temporel entre les deux : on parle alors de déphasage.

La figure ci-contre représente des signaux déphasés.

Rq : Si les signaux se superposent, ils sont dits « en phase » (les événements sont simultanés).

En vous aidant des documents, aidez Mr Bat à déterminer les caractéristiques des

ondes ultrasonores : nature, fréquence, amplitude, période, longueur d’onde et leur célérité. Sur votre compte-rendu, décrire précisément :

- l’expérience(s) réalisée(s) une fois le protocole validé par le professeur,

- vos observations et résultats expérimentaux (oscillogrammes),

- votre raisonnement pour exploiter vos mesures afin de résoudre le problème exposé,

- vos conclusions.

Emetteur Récepteur

Vers transformateur 15V

Câble BNC noir vers CH1

Borne : Emetteur Câble BNC noir

vers CH2

mode

continu

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Compte-rendu des ondes sonores :

Caractéristique du signal émis :

Le signal émis est sinusoïdal d’amplitude Um et de fréquence fE :

Um = nb carreau échelle = 2,4 2,000 = 4,8 V Attention, on se place par rapport à l’origine !

T = nb carreau échelle = 5,0 5,000 = 25 µs = 25.10-6

s => fE = 𝟏

𝑻 =

1

25.10−6 = 40.10

3 Hz = 40 kHz

Protocole et caractérisation des ondes ultrasonores :

Pour une distance dE-R quelconque entre l’émetteur et le récepteur, on observe l’oscillogramme avec la

courbe rouge correspondant au signal de l’émetteur décalée par rapport à la courbe bleue, celle du récepteur :

Si la distance dE-R varie, il en va de même pour le décalage entre les 2 courbes (on parle de déphasag). Or cette

variation est périodique. La distance correspondante s’appelle la période spatiale encore appelée longueur d’onde λ.

=> En mesurant cette distance, on détermine la longueur d’onde λ.

=> Pour être plus précis, on peut mesurer 10 périodes :

On décale alors le récepteur afin d’obtenir des courbes sur l’oscillogramme qui présentent les maxima en

même temps : les signaux sont alors en phase. Cela correspond alors à une situation où le récepteur est séparé de

l’émetteur par une distance multiple de la longueur d’onde dE-R = n.λ :

On peut alors éloigner de nouveau le récepteur pour aller obtenir la prochaine superposition des courbes. Le

récepteur est donc placé une longueur d’onde plus loin de l’émetteur ; la distance entre les deux vaut alors

dE-R = (n+1).λ . En procédant ainsi 10 fois, la distance vaut dE-R = (n+10).λ

Ainsi, on connaît la distance de 10.λ et donc la valeur de la longueur d’onde λ !

Pour déterminer la fréquence du signal reçu, comme on observe la même période pour les deux signaux, on en

déduit qu’ils ont la même fréquence : frécepteur = fémetteur = 40 kHz (Cf Préparation 2.)

Pour calculer, l’amplitude du signal reçu, on procède comme dans la préparation. On note dans tous les cas que

l’amplitude diminue quand on éloigne le récepteur de l’émetteur et Um, reçu < 5 V = Um,émis .

D’après l’expérience, la 10ème

périodicité se trouve pour 8,6 cm. D’où une longueur d’onde de : λ = 8,6

10 = 0,86 cm

On peut alors en déduire la célérité des ondes ultrasonores : v = λ f = 0,86 40.103 = 3,4.10

2 m.s

-1

Conclusion : La vitesse du son dans l’air est proche de 340 m.s-1

(soit environ 1 km en 3 secondes). Il en va

donc de même pour les ondes ultrasonores !

En effet, l’air est un milieu non dispersif. Donc les ondes de même nature vont à la même vitesse.

R E

dE-R

E

dE-R = n.λ

R

E

dE-R = (n+10).λ

R

10.λ

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AE 3 :

Les ondes mécaniques sinusoïdales

Classe :

TS

Matériel au bureau :

Matériel élève : Nombre de groupes : 9

Un émetteur à ultrason (les tout beaux)

Un récepteur d’ultrasons (les tout beaux)

2 câbles coaxiaux noirs

1 oscilloscope

1 mètre ruban « made in Ikéa » ou banc optique graduée en cm

Matériel au fond de la salle :

Matériel sur chariot:

Produits frais à acheter :