1ère Spé – Chapitre 16 : Ondes mécaniques progressives

Le Cours

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Partie A : Le son est une onde progressive

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I L’origine du son est une vibration

Visionner la vidéo suivante :

La vibration sonore peut être produite par des cordes vocales, une membrane d’un haut-parleur ou les branches d’un diapason.

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II La vibration de l’air

Visionner la vidéo suivante :

L’air transmet la vibration. Il peut communiquer cette vibration à un autre objet : La flamme de la bougie ou la membrane d’un microphone.

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III La propagation moléculaire de la vibration sonore.

1° Visualisation des chocs moléculaires

Visionnez la vidéo suivante :

Les chocs entre les moléculaires de l’air permettent la transmission de l’énergie. Ce qui se déplace dans l’air s’appelle « une onde ».

Remarque : Après le passage de l’onde, la matière est restée à sa place.

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2° Définition d’une onde :

« Une onde résulte de la propagation d’une perturbation avec transport d’énergie mais sans transport de matière. »

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3° Autre exemple d’onde mécanique : Une vague

Visionnez la vidéo suivante :

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L’exemple du canard sur les vagues ci-dessus montre bien qu’il n’y a pas transport de matière. Une onde mécanique se déplace en déformant la matière. Elle se déplace donc dans la matière.

Remarque : La lumière ou les ondes électromagnétiques en général, sont des ondes qui peuvent se déplacer dans le vide.

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IV Onde longitudinale ou transversale

Visionner la vidéo suivante qui illustre la propagation d’une onde dans un ressort.

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Conclusion :

On distingue 2 types d’ondes :

  • Dans une onde transversale, la perturbation est perpendiculaire au sens de déplacement de l’onde.
  • Dans une onde longitudinale, la perturbation est parallèle au sens de déplacement de l’onde.

En image ci-dessous :


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La vitesse de propagation d’une perturbation

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I La propagation du son : Le « Viking clap »

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Le Viking clap est un mouvement de foule provoquée par un clap de batterie produit sur scène. Les spectateurs tournent le dos à la scène où est installée la caméra. Ils claquent leurs mains quand ils entendent le son produit par la batterie. Visionnez la vidéo ci-dessous.

Les spectateurs du premier rang entendent le son avant ceux du fond. Ils clappent dans leur main avant les autres. On peut même ainsi visualiser la propagation de l’onde sonore dans la foule en observant le retard des uns par rapport aux autres.

II Célérité d’une onde

1° Vocabulaire :

Pour les ondes, le mot « vitesse » est remplacé par « célérité ». On la notera tout de même « v », la notation c étant réservée à la célérité de la lumière ou aux ondes électromagnétiques.

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2° La célérité de l’onde sonore

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Lors de l’éruption du volcan Tavurvur en Papouasie Nouvelle Guinée (en direct dans la vidéo ci-dessous), l’explosion se produit à 12 s sur la vidéo. Le son parvient au bateau à 25 s sur le compteur de la vidéo.

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Sachant que le bateau est à une distance d = 4,42 km du volcan.

Le temps approximatif de propagation vaut : Δt = 13 s.

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3° Formule de définition pour la célérité d’une onde

On calcule la célérité v de l’onde comme on le fait pour la vitesse :

v = d / Δt

  • d : distance parcourue (en m)
  • Δt : durée du parcours (en s)
  • v : célérité de l’onde (en m.s-1)

Dans l’air, le son se déplace à la célérité v = 340 m.s-1 dans les conditions normales de température de de pression, mais cette valeur est fortement affectée par la densité de l’air et donc par sa pression et sa température

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III Retard d’un signal par rapport à un autre

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1° Montage d’étude au laboratoire

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Les 2 microphones vert et bleu sont espacés d’une distance d. Dans l’exemple ci-dessous d = 0,7 m.

Le temps de décalage Δt du même « Clap » par les 2 micros se mesure sur l’ordinateur. Pour une onde, ce temps est appelé « Retard » entre la réception du micro vert par rapport à celle du micro bleu.

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2° Exemple de mesures du retard :

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L’image ci-dessous est une capture d’écran réalisée avec le logiciel « LatisPro ».

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On peut lire un retard entre les 2 fronts de l’onde sonore qui passe par les 2 micros : τ = 1,9 ms.

Vocabulaire :

Le front d’une onde est la première manifestation du passage de l’onde.

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3° Choix des axes de représentation pour une perturbation

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On peut représenter l’élongation de la corde telle qu’on la voit réellement dans l’espace à un instant donné (voir a.) mais on peut aussi la représenter dans le temps à une position donnée (voir b.).

Remarquez la position inversée du front de l’onde.

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4° Le sismographe

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On peut y repérer les différents types d’ondes générées par un séisme.

Les ondes P sont des ondes de compression longitudinale : elles sont rapides.

Les ondes S sont des ondes de cisaillement transversale : Elles sont plus lentes.

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Ces ondes n’arrivent donc pas en même temps à la station (éloignée) de surveillance sismique.

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Sur le sismogramme informatisé ci-dessous, l’enregistrement a été déclenché quelques fractions de seconde avant que l’onde sismique n’atteignent la station. On observe bien que les ondes P sont arrivées plus tôt que les ondes S :

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Exercices et activités possibles

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Un signe (*)  ou (#) indique qu’une indication ou un rectificatif est apportée ci-après.

1° Les activités proposées

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Activité 1 : Parties 1 et 2

Une vidéo permet de faire cette activité. Vous pourrez l’utiliser en cliquant sur l’image suivante :

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Activité 2 : Parties 1c et 1d – 2.

Les partie 1a et 1b ont déjà été réalisées (voir vidéo ci-dessous).

Une vidéo permet de faire cette activité. Vous pourrez l’utiliser en cliquant sur le lien suivant : « Vidéo du ressort – propagation »

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Activité 3 : Parties 1 – 2(*) et 3.

(*partie 2_indication) : Chercher d’abord à exprimer ts – tp.

Reportez-vous au cours ci-dessus pour comprendre comment réaliser une schématisation possible pour cette activité.

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2° Les exercices

Indication pour tous les exercices : Sauf précision contraire, la célérité du son dans l’air est de 340 m.s-1 dans les conditions usuelles de température et de pression.

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  • Exercices d’application directe p 336 : n° 27 et n° 29

Entrainez-vous, leurs corrigés sont déjà accessibles dans la partie « Corrigés des exercices » au bas de cette page.

  • Exercices d’approfondissement p 335 et suivantes : n°28 – n°39 – n°41 – n°44(*).

Ex44(*_Indication) : Identifier clairement le front de l’onde pour l’onde P et pour l’onde S.

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  • Exercices identiques aux ex résolus : n°35(#) p 338 et n°37(*) p 339

Ex35(#_Rectificatif) : La distance OM’ vaut 40 cm (voir schéma ci-dessous)

 

Ex37(*_Indication) : On pourra noter δt le temps qui s’écoule entre 2 photos successives (attention au nombre d’intervalle). L’échelle de la photo du livre est à déterminer à partir de la donnée du diamètre du ressort.

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Bilan

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Cliquer sur le lien suivant pour accéder à « L’essentiel du chapitre »

Cliquer sur le lien suivant pour accéder à une Synthèse des activités du chapitre.

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Annexe (facultative) à consulter

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I Le principe du sonar

Visionnez la vidéo ci-dessous pour comprendre comment fonctionne un sonar.

Le temps entre l’émission et la réception correspond donc à un aller-retour.

La profondeur correspond à un aller-simple.

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II Expérience de cours : Le son – Un besoin de matière

Visionnez la vidéo ci-dessous où on fait le vide dans une cloche où on a placé un réveil.

Le son nécessite de la matière pour pouvoir se déplacer.

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III Le mur du son

1° La visualisation du mur du son.

L’onde de compression extrême provoque une condensation de la vapeur d’eau.

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2° La modélisation

Le mur du son expliqué en 4 images :

Les ondes sonores sont des ondes de compression longitudinales. Lorsqu’elles s’accumulent, elles créent une zone de pression si dense qu’il devient difficile de la franchir.

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3° Voir et entendre le mur du son

Regardez des avions supersoniques en vidéo

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Corrigés des exercices et des activités

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Corrigés des exercices d’application directes :

Lien pour accéder à la « Correction vidéo de l’ex 27 »

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 29 »

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Indication : Les liens suivants ne sont actifs que lorsque le chapitre, ou une partie de chapitre, est terminé.

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Corrigés des activités :

Lien pour accéder aux réponses de « Activité 1 »

Lien pour accéder aux réponses de « Activité 3 »

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Corrigés des exercices d’approfondissement :

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 28 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 29 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 41 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 44 »

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Corrigé des exercices résolus :

Cliquer sur le lien suivant pour accéder au corrigé de l’exercice 35 – identique à l’ex résolu.

Cliquer sur le lien suivant pour accéder au corrigé de l’exercice 37 – identique à l’ex résolu.

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