Apprendre comme on aime

Ondes mécaniques
Cours
Image
Lien
Exercices

1/ Les ondes mécaniques se propagent grâce aux molécules qui vibrent de proches en proches.

Comprendre

propagation du son
Pression:
Energie donnée par les molécules d'un fluide lors d'une collision contre un objet
Propagation du son

Un son est une propagation de pression à un endroit précis. La pression de l'onde est transmise par des molécules qui vont au contact les unes des autres. Quand la membrane d'un haut-parleur vibre, elle presse les molécules d'air qui la touchent qui vont transmettre l'agitation à d'autres molécules qui les touchent. Donc le son va environ à la vitesse des molécules dans les gaz (la vitesse du son dépendra de la température) mais si les molécules sont au contact et peuvent se transmettre la vibration plus vite, la vitesse du son sera plus importante(la vitesse du son dépend du milieu).
Dans le vide spatial, il y a tellement peu de matière(environ 3 par m3) que les vibrations mécaniques comme le son ne peuvent pas se propager. Il aurait fallu pour cela que les molécules soient au contact.

1/ Exercices

Comprendre

1/ Le réveil muet Matériel et protocole 
(3 mn)

Un objet qui peut faire du bruit sans nécessité d'être branché.
Une cloche à vide

Un réveil est en train de sonner, on le place sous une cloche et on fait le vide à l’intérieur de la cloche. Que va-t-on constater ?Justifier.

Le son va devenir de moins en moins audible à mesure qu’on enlève les molécules d’air qui permettent au son de se propager.

1/ LÂ’explosion de l’étoile noire 
(3 mn)

Dans Star Wars, « ’Empire contre-attaque », on assiste à la destruction de l’étoile noire par les rebelles, ce qui produit un grand bruit quand l’étoile explose entièrement. L’espace compte 100 atomes par centimètres cubes contre environ 25.1021(soit environ 25 000 milliards de milliards)à la pression atmosphérique (c'est à dire sur Terre, au niveau de la mer).

Où y a-t-il le plus de molécules:sur Terre ou dans l'espace?

Il y a énormément plus sur Terre

Grâce à quoi le son se propage-t-il lorsqu'on entend une explosion sur Terre?

Grâce aux molécules d'air.

Justifie pourquoi le film n’est pas réaliste.

Les atomes et molécules dans l’espace sont tellement peu nombreux qu’ils ne vont transmettre très faiblement le son. On n’entendra donc pas l’étoile noire exploser. Dans l’espace personne ne t’entendra crier...

1/ Comment le son arrive jusqu'à nos oreilles?Animation 
(4 mn)

Appliquer

1/ Sonar et radar 
(7 mn)

Pourrais-tu expliquer la phrase suivante tirée de Wikipédia : « Le son se propage à 1 482 m/s (dans l'eau pure à 20 °C), approximativement à 340 m/s dans l'air à 15 °C et à environ 1 500 m/s dans l'eau de mer. »

On voit que plus le milieu est dense(compact), plus le son se propage vite car les molécules étant plus proches, elles peuvent se transmettre le son plus vite.
Les molécules d’eau, plus au contact les unes des autres, sont mieux à même de se transmettre la vibration sonore que les gaz dont les molécules sont éloignées les unes des autres. Les ions présents dans l'eau de mer sont attirés par les molécules d'eau et en font un milieu plus dense.(plus de molécules dans le même volume)

Pourquoi utilise-t-on plutôt des radars (fonctionnant avec des ondes électromagnétiques comme la lumière) dans l’air et des sonar s(fonctionnant avec des ondes sonores) dans l’eau ?

Les ondes électromagnétiques se propagent moins bien dans l’eau que dans l’air et c’est l’inverse pour les ondes sonores. On utilise néanmoins ces deux technologies complémentaires dans les deux milieux.

1/ Echographie, tout comprendreAnimation 
(10 mn)

Analyse

1/ Parler avec de lÂ’hélium 
(7 mn)

L’hélium est un gaz très peu dense (ayant une faible masse volumique) 0,18 g/L( alors que l’air a une masse volumique de 1,2g/L), ce qui fait que le son s'y propage très vite (1300m/s) Comment expliquer que l’on parle beaucoup plus aigu si on respire de l’hélium ?

L’hélium est un gaz très léger (qui fait s’envoler les ballons) et donc le son s’y propage plus rapidement. Etant donné qu’il va plus vite, il vibre également plus vite, donc sa fréquence est plus élevée, ce qui nous fait entendre une voix plus aigüe.

2/ Le son se propage dans l'air à environ 340m/s.

Comprendre

Vitesse du son

Le son parcourt 340 mètres en une seconde dans l'air (qui va varier selon l'humidité et la pression). Le son va beaucoup plus vite dans les milieu non compressible tels que l'eau(environ 1500m/s) ou les roches. On s'en sert même pour mettre en évidence les bulles dans le béton.
Les deux principaux facteurs jouant sur la valeur de la vitesse du son sont la masse volumique et la constante d'élasticité (ou compressibilité) du milieu de propagation : la vitesse du son est d'autant plus grande que la masse volumique du milieu et sa compressibilité sont faibles.
Donc plus les molécules du milieu seront liées entre elles, plus le son circulera vite.
Par contre, plus le milieu sera dense, plus le son devra vaincre l’inertie des molécules et circulera lentement.

Appliquer

Calcul de vitesse

La vitesse indique un déplacement par unité de temps, on l’exprime en mètre par seconde en physique.
v=dt
v est la vitesse en m/s
d est la distance en mètre
t est le temps en secondes
Grâce à cette formule, on peut dire que
t =dv et d = v.t et on peut calculer une grandeur si on connaît les deux autres.Si le son met 2 secondes pour nous parvenir depuis un point situé à 680m, sa vitesse est de 680m/2s = 340 m/s

2/ Exercices

Connaître

2/ Le son va-t-il partout à la même vitesse ?
(5 mn)

A quelle vitesse va le son dans l'air?

v=340m/s

Le son voyage dans l’eau à 5330km/h. Quelle est la vitesse dans l’eau en mètres/heures ?en mètres/secondes ?

5330km/h=5 330 000m/heure =5 330 000 m/3600s=1480m/s

Le son voyage-t-il plus vite dans lÂ’air ou dans lÂ’eau ?

Le son voyage plus de trois fois plus vite dans lÂ’eau.

Comprendre

2/ A quelle distance se trouve lÂ’orage ? 
(3 mn)

Le grondement du tonnerre nous parvient 3s après l’éclair. A quelle distance se trouve l’orage ?

La lumière est tellement rapide (1million de fois plus rapide que le son) que l’on va considérer son déplacement comme instantané. La distance à l’orage se calcule grâce à d=v.t=340m/s*3s=1020m

2/ Peut-on atteindre la vitesse du son en Clio ?
(5 mn)

A quelle vitesse en km/h correspond 1m/s ?

1m/s=0,001km/s=0,001km/(1/3600)h=0,001*3600km/h=3,6km/h (diviser par un nombre équivaut à multiplier par son inverse)

Quelle est la vitesse du son en km/h ?

340*3,6=1224km/h

Appliquer

2/ Vitesse véhiculée 
(15 mn)

Un automobiliste a parcouru les 316 km qui séparent Paris de Dijon en 4 heures.

Quelle est sa vitesse moyenne(en km/h)?

v = d/t = 316km/4h = 79 km/h

Dans l'étape du Tour de France Foix - Loudenvielle le Louron, longue de 196 km,le vainqueur de l'étape avançait à une vitesse moyenne de 35,2 km/h.

En combien de temps a-t-il fini l'étape?(en h ou en h et mn)

t = d/v = 196km/5,56h = 5h et 34mn car 0,56(h) = 0,56 x(60mn) = 34mn

Un camion roule à une vitesse moyenne de 70 km/h.

Quelle distance a-t-il parcourue en 3 heures et demi?

d = v x t = 70km/h x 3,5h = 245 km

Un coureur cycliste a parcouru les 180 km de l'étape du Tour de France à la vitesse moyenne de 45 km /h.

Quelle a été la durée de l'étape?

t = d/v = 180km/45km/h = 4h

Un autre camion roule à une vitesse moyenne de 85 km/h .

Quelle distance a-t-il parcourue en 2h 30 min?

d = v x t = 85 x 2,5 = 212,5km

Un escargot bourguignon parcourt 0.8 m/mn.

En combien de temps peut-il parcourir 12,4 m ?

12,4m/0,8s = 15,5m/s En 15 mn et 30 s

Un avion de ligne vole à 900 km/h pendant 2 h 20 mn.

Quelle est la distance parcourue ?

2h20=(2+1/3)h et d = v x t = 900km/h x(2+1/3)h=2100 km.
Il a parcouru 2100 km

Alicia parcourt 240 km en 3 h.

Quelle est sa vitesse ?

Sa vitesse est de 240km/3h = 80 km/h

Arthur roule à la vitesse de 80 km/h pendant 1 h 30 mn.

Quelle distance a-t-il parcourue ?

Il a parcouru 80km/h x 1,5h = 128 km

Ophélie a parcouru 62,5 km à la vitesse de 40 km/h.

Quelle est la durée du trajet?

62,5/40 = 1,56 Elle a parcouru 62.5 km en 1 h 33 mn 45 s

Un sportif fait 82 tours de 4,2 km en 1 heure et demie. Quelle est sa vitesse moyenne ?

Il parcourt 82 x 4,2km = 344 km
v = d/t = 229,6 km/h

Est-il à pied, en vélo ou en voiture?

En voiture, il va très vite

2/ Reach the stars 
(10 mn)

En aout 2012, la sonde Curiosity a retransmis le single de Will.I.Am, "Reach the Stars" sur Mars. C'est le premier concert extraterrestre jamais produit. Mars est une planète considérée sans vie avec une atmosphère trois fois moins dense que celle de la Terre. dTerre-Mars = 55.106 km

Si les martiens existent, ont-ils pu entendre le concert sur Mars ? Justifie ta réponse.

Oui, Mars ayant une atmosphère, le son va s'y propager. Le volume sonore sera néanmoins moins fort car le son s'y propage moins bien.

Quel est le temps que mettrait une onde sonore pour venir de Mars quand elle est au plus proche de la Terre si on considère que le son se propage dans l'espace comme dans l'air?

t = d/v = 55.106 km / (340m/s) = 55.109 m / 340 = 162.106 s ce qui correspond à plus de 5 ans! (la lumière met quelques minutes)

Le son se propage-t-il dans l'espace comme dans l'air?Pourra-t-on donc capter le signal de la Terre ?Justifier

Le son se propage de molécules en molécules. S'il n'y en a pas, comme dans l'espace, le son ne peut se propager. On ne pourra donc pas entendre un bruit venant de Mars car le son ne peut se propager entre les deux planètes.

2/ Mesurer la vitesse du sonImageMatériel et protocole 
(12 mn)
mesure vitesse ultrasons
1 émetteur d’ultrasons
1 générateur adapté à l'émetteur
1 récepteur d’ultrasons
1 oscilloscope
Fils conducteur

Lors d’une séance de travaux pratiques, Claire et Rémi doivent réaliser la mesure de la vitesse des ultrasons dans l’air. Ils disposent d’un émetteur et d’un récepteur à ultrasons ainsi que d’un système d’acquisition.

Schématiser le dispositif expérimental permettant cette mesure.

émetteur récepteur ultrasons

Indiquer sur quelles voies doivent être branchée l’émetteur et le récepteur pour obtenir l’enregistrement ci-contre.

L’émetteur E est branché sur la voie YA et le récepteur R est branché sur la voie YB car l’émission précède nécessairement la réception.

Mesurer le décalage temporel t entre l’émission et la réception du signal.

Le décalage temporel est d’environ 4 divisions valant chacune 250 microsecondes: t = 4,0 x 250 x 10–6s = 1,0 x 10–3s

À quelle distance d sont situés l’émetteur du récepteur sachant que, dans ce cas, la valeur de la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air est v = 250 m/s

d = v . t = 350 x 1,0 x 10–3 donc d = 0,35 m

Quelles différences Claire et Rémi auraient-ils observées s’ils avaient réalisé cette expérience

...dans lÂ’eau ?

Les ultrasons se déplacent plus vite dans l’eau que dans l’air (environ 1500 m/s). En conséquence, le décalage temporel est plus petit dans l’eau que dans l’air.

...dans le vide ?

Les ultrasons ne se propagent pas dans le vide. On n’observe aucun signal au niveau du récepteur.

2/ Vitesse des ultra-sons:méthode de la longueur d'ondeMatériel et protocole 
(45 mn)
Un oscilloscope
Un émetteur d’ultrasons et son alimentation
Deux récepteurs d’ultrasons
Un rail gradué
Des fils de connexions

Régler l’émetteur en mode « continu ».
Placer les deux récepteurs côte à côte en face de l’émetteur
Régler les signaux un à un pour qu’ils soient sur la ligne centrale de l’écran.
Régler la sensibilité verticale et la sensibilité horizontale pour avoir de « beaux » signaux à l’écran de l’oscilloscope.

Comment qualifier ce signal ?

Il est sinusoïdal (donc périodique) et alternatif.

Déterminer sur l’oscilloscope la période puis la fréquence du signal de l’émetteur.

Il faut compter le nombre de carreaux entre deux maximums ou deux minimums et multiplier par la valeur temporelle de chaque carreaux pour obtenir la période. Pour calculer la fréquence, il suffit de savoir que c'est l'inverse de la période.

Quand deux signaux sont en phase, ils vibrent à même temps, c'est à dire que leurs maximums se produisent en même temps.
Laisser en place un récepteur et reculer l’autre.

QuÂ’observe-t-on?

Une onde se décale par rapport à l'autre. On dit qu'elles se déphasent.

Chercher les positions successives du deuxième récepteur pour lesquels les signaux sont en phase. Noter les distance entre les récepteurs à chaque fois.

Les distances sont les mêmes à chaque fois, elle correpondent à une longueur d'onde.

La longueur d'onde est la distance que parcourt une onde au cours d'une oscillation (d'un motif élementaire), elle se mesure en mètre comme toutes les longueurs.

En déduire la longueur d’onde des ultrasons. (Tu pourras calculer la valeur moyenne sur l’ensemble de tes valeurs).

Pour être plus précis, on peut faire la moyenne sur plusieurs longueurs d'onde.

Plus un onde vibre rapidement (a une grande fréquence), moins elle va avoir de temps pour parcourir de chemin lors d'une vibration. Il y a donc une relation entre la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence que l'on pourra écrire longueur d'onde=vitesse/fréquence

Déterminer la vitesse des ultrasons dans l’air notée vexp (car elle a été déterminé par l'expérience).

vitesse= longueur d'onde x fréquence, on pourra donc calculer facilement la vitesse.

Calculer l’écart relatif de votre mesure noté e = |(vexp -vth)/vth | x 100, sachant que vexp est la valeur expérimentale et que vth est la valeur théorique de la vitesse.
Une valeur expérimentale est de bonne qualité si cet écart est inférieur ou égal à 10%. Conclure en précisant ce qui a pu rendre votre mesure imprécise.

Si on a trouvé une vitesse de 400m/s e=(400-340)/340=17%. Les imprécisions sont dues aux imprécisions de lecture de la distance et de l'approximation sur la décision de si le signal est en phase ou non.

2/ Petite histoire à la vitesse du son 
(8 mn)

En 1822,Arago détermine la valeur de la vitesse du son entre le donjon de la tour de Montlhéry et l’observatoire de Villejuif.
Un coup de canon tiré en haut de la tour, de nuit, était entendu à Villejuif distant de 18,612 km. Arago mesure une durée de 54,6 s séparant la lueur du canon (instant où le coup de canon est donné) du son entendu.

Quelle est la relation entre la vitesse du son, la distance parcourue par le son et la durée nécessaire pour la parcourir ?

d = v . t

Calculer la valeur de la vitesse du son à partir des mesures d’Arago.

v=d/t = 18.612.103/54.6=341m/s

Quelle propriété de la lumière est implicitement utilisée pour répondre à la question ?

Lors du calcul précédent, on a considéré que la propagation de la lumière était instantanée. On néglige la durée de propagation de la lumière devant celle du son.

Montrer par un calcul que la durée de propagation de la lumière est négligeable lors de cette expérience.

tÂ’=d/v=18.612.103/3.108=6,2.10-5s
En conséquence, l’approximation précédente est correcte :t’<< t (t' très inférieur à t)
Avec la précision sur le temps, on peut négliger la durée de propagation de la lumière devant celle du son.

2/ La catastrophe AZF 
(10 mn)->Calcul /4

Le 21 septembre 2001, à 10 h 17 et 30s, un stock d’environ 400 tonnes de nitrate d'ammonium déclassé destiné à la production d’engrais a explosé dans le bâtiment de l’usine AZF de Toulouse, creusant un cratère de forme ovale de 70 mètres de long et 40 mètres de largeur, et de 5 à 6 mètres de profondeur. La détonation a été entendue à plus de 80 km de Toulouse. Un séisme de magnitude 3,4 a été enregistré.
L’explosion a été précédée de phénomènes de diverses natures (électriques, lumineux, sonores, etc.) et plus particulièrement d’un bang acoustique.

Combien de temps le son a-t-il mis pour parcourir 1 kilomètre ?

t=d/v=1000 m/340m/s= 2,94s. Le son a mis 2.94s à parcourir un kilomètre.

Combien de temps la lumière a-t-il mis pour parcourir 1 kilomètre ?(c=300 000km/s)

t=d/v=1000m /300 000 000m/s=3,3 microsecondes. La lumière a mis 3millionièmes de secondes à parcourir un kilomètre.

Un toulousain vivant à 1 km de l’usine voit l’explosion. De combien de temps dispose-t-il s’il veut se mettre à l’abri du souffle sonore ?

2.94s-0.0000033s=2.94s Il dispose de moins de 3secondes pour se mettre à l’abri.

A quelle heure les Montalbanais (à 50 km au nord) ont-il perçus le son dans l’air ?

t=d/v =50 000/340= 147s=2mn27s (on divise par soixante pour avoir le nombre de minutes et on regarde le nombre de seconde qui restent)

Combien de temps le son a-t-il mis pour venir jusqu’à Montauban ?

Heure d’arrivée= Heure de départ+ temps de voyage=10h17mn30s+2mn 27s=10h19mn 57s

La vibration ayant engendrée le son s’est aussi propagé dans le sol, provoquant un séisme. On considérera que le sol toulousain est composé de granit où la vitesse du son est bien plus élevée(6400m/s).

Combien de temps l’onde sismique a-t-elle mis pour venir jusqu’à Montauban ?

t=d/v =50 000m/6400m/s=7,8 s

A quelle heure aurait-on pu ressentir l’onde sismique à Montauban ?

Heure d’arrivée= Heure de départ+ temps de voyage=10h17mn30s+7.8s=10h17mn38s .
Le tremblement de terre a été ressenti bien avant que l’on puisse entendre le son de l’explosion.

2/ Vitesse et sécurité routière 
(15 mn)

Quelle est la vitesse maximale autorisée quand on roule en cyclomoteur?

La vitesse maximale autorisée est de 45 km/h en cyclomoteur.

Cette vitesse maximale dépend-elle du type de route sur laquelle on circule?

Non, la vitesse maximale autorisée est de 45 km/h en cyclomoteur en agglomération comme sur route.

A quelle vitesse doit rouler un cyclomoteur sur autoroute?

Il est interdit de circuler sur autoroute en cyclomoteur.

Quelle est la formule qui permettrait de calculer le temps de parcours à partir de la vitesse et de la distance parcourue.

t= d/v

Un cyclomotoriste roule à une vitesse moyenne de 40 km/h en agglomération, combien de temps lui faudra-t-il pour parcourir 10 km dans une agglomération? Donnez le résultat en heure puis en minute.

t1=d/v= 10/40= 0,25 h=0,25x60min=15 min.

Sur le même trajet que dans la question précédente, le même cyclomotoriste roule au retour à 50 km/h. Combien de temps lui faudra-t-il pour parcourir les 10 km? Donnez le résultat en heure puis en minute.

t2 = d/v = 10/50 = 0,2 h=0,2x60min=12 min.

Quel est finalement le gain de temps réalisé par ce cyclomotoriste en excès de vitesse? Quels sont les risques?

La différence de temps est : ?t=t1-t2=15-12=3min. Il n'a gagné que 3 min sur son trajet en prenant certainement des risques et en se mettant hors la loi car il était en excès de vitesse.

Calculez le temps nécessaire pour parcourir 50 km sur une route nationale si on roule en voiture à la vitesse maximale autorisée. Donnez le résultat en heure puis en minute.

En voiture sur route nationale la vitesse maximale autorisée est 90 km/h
t3 = d/ v = 50/90 =0,56 h=0,56x60min=33,6 min=33min+0,6min= 33min+0,6x60s=33min36s

On rencontre trop souvent des automobilistes qui roulent à 100 km/h sur ces routes. Combien de temps auront gagné ces automobilistes en excès de vitesse?

t4 = d/ v = 50 /100 = 0,5 h=0,5x60min= 30 min . Donc ?t=t3-t4=33-30=3 min. Ils ne gagnent que 3 minutes sur un trajet de 50 km et sont en excès de vitesse !

Calculez le temps nécessaire pour parcourir 200 km sur autoroute si on roule en voiture à la vitesse maximale autorisée. Donnez le résultat en heure puis en minute.

Sur autoroute vmax autorisée est 130 km/h. t5 = d/v = 200/130 = 1,54 h=1,54x60min= 92,4 min ˜ 92min

Combien de temps gagnerait un automobiliste qui roulerait à 140 km/h?

t6 = d/v = 200 /140 = 1,43 h=1,43x60min= 85,8 min ˜ 86min
?t=t5-t6=92-86=6min. Il ne gagne que 6 minutes sur un trajet de 200 km !

Une vitesse excessive intervient dans un accident mortel sur deux et l'on ne gagne pratiquement pas de temps...

Analyse

2/ Vous reprendrez un peu de foudreÂ… 
(7 mn)->Calcul /4

Il est 14h. Le grondement du tonnerre nous parvient 5s après l’éclair. A quelle distance se trouve l’orage ?

La lumière est tellement rapide (1million de fois plus rapide que le son) que l’on va considérer son déplacement comme instantané. La distance à l’orage se calcule grâce à d=v.t=340m/s*5s=1700m

A 14h01, nouvel éclair et un nouveau grondement se produit 2secondes après. L’orage s’approche-t-il ? A quelle vitesse progresse-t-il ?

A 14h05, l’orage se trouve à d=v.t=340*2=680m donc en 1minutes, il a parcouru 1700-680=1020m
V=1020/(1*60)=17m/s=61km/h (on a converti le temps en secondes)
Le nuage s’approche donc à 61km/h.

2/ Sonar: fond de l'eau et banc de poissonAnimation 
(10 mn)
Visite l'animation et réponds aux 3 questions.
2/ Echographie:Comment voir quelque chose d'invisible.Animation
(12 mn)
2/ Le son se propage-t-il plus vite dans l'air ou dans l'eau?Matériel et protocole
(60 mn)
Un oscilloscope
Un émetteur d’ultrasons et son alimentation
Deux récepteurs d’ultrasons
Un rail gradué
Des fils de connexions

L’oscilloscope permet de voir le signal électrique associé à chaque récepteur. Il suffit pour cela de brancher les récepteurs aux deux entrées de l'oscilloscopes (CH1 et CH2)
La célérité (ou vitesse) d’une onde entre deux points A et B du milieu de propagation, séparés d’une distance d (le point B est atteint par l’onde après un retard t) est définie par la relation :
v = d/t
où t est le temps nécessaire pour parcourir la distance d à la vitesse v
Célérité des ondes sonores ou ultrasonores dans l’eau : veau = 1,5.103 m.s-1.
L'émetteur d'ultra-sons peut envoyer un signal sonore continu ou envoyer des salves de vibrations (courtes impulsions sonores)

On peut mesurer la vitesse du son en mesurant le temps mis par le son pour arriver en deux points différents séparés par une distance connue. Propose un protocole expérimental pour déterminer la vitesse des ultrasons dans l’air. Tu peux utiliser le mode salve de l'émetteur.

On règle l'émetteur en mode salve
On place les deux récepteurs en face,on les branche aux deux entrées de l'oscilloscope
On décale l'un deux par rapport à l'autre et on mesure le décalage de temps que met le son pour arriver de l'un à l'autre grâce à l'oscilloscope.

Réaliser l'expérience, faire apparaître les signaux utiles à l'écran de l'oscilloscope et appeler le professeur pour qu'il valide ta réalisation

Schématiser le signal observé sur l’oscilloscope et indiquez le retard sur ce schéma

Le retard est la différence entre le début du premier signal et le début du second.

En déduire la vitesse des ultrasons dans l’air notée vexp.

vexp=d/t=(distance entre les récepteurs)/retard

Calculer l’écart relatif de votre mesure noté e = |(vexp -vth)/vth | x 100, sachant que vexp est la valeur expérimentale et que vth est la valeur théorique de la vitesse.
Une valeur expérimentale est de bonne qualité si cet écart est inférieur ou égal à 10%. Conclure en précisant ce qui a pu rendre votre mesure imprécise.

Si on a trouvé une vitesse de 400m/s
e=(400-340)/340=17%. Les imprécisions sont dues aux imprécisions de lecture de la distance et du retard sur l'oscilloscope.

Le son se propage-t-il plus vite dans l'eau ou dans l'air?

Il se propage trois fois plus vite dans l'eau que dans l'air.

3/ Les fréquences sonores vont des infrasons aux ultrasons en passant par les fréquences audibles.

Comprendre

audition humaine
Fréquence
combien de fois une onde vibrera par seconde
Fréquence et audition

Les fréquences que nous entendons sont comprises entre 20Hz et 20kHz environ. Avec l'âge, cette plage de fréquence se réduit.
Ce qui est en dessous de 20 Hz sera appelé infrasons, au dessus de 20kHz(20 000Hz) on appelle ces ondes des ultrasons.
Les voix humaines ont des fréquences qui vont de 40Hz à 15 000Hz.

3/ Exercices

Comprendre

3/ La grenouille et le perroquet
(4 mn)

Une grenouille perçoit des sons de 60 à 10 000 Hz, un perroquet, de 40 à 14 000 Hz.

Quel animal à un domaine de fréquence audible le plus proche de celui de l'oreille humaine ?

Le perroquet car l'homme perçoit les sons de 20Hz à 20kHz

Ces animaux perçoivent-ils les ultrasons ?

Non car les ultrasons sont les sons trop aigus(de trop haute fréquence )pour l’oreille humaine, c'est-à-dire toutes les ondes sonores au-dessus de 20kHz. Ni la grenouille ni le perroquet ne perçoit ces ondes-là.

3/ Sensibilité de l'oreille humaineImage
(7 mn)
limites de lÂ’audition humaine

Le diagramme joint montre les limites de la sensibilité de l'oreille en fonction de la fréquence du son perçu.

Pour quelles fréquences la sensibilité de l'oreille humaine est-elle la plus grande ?

Environ 3000Hz (3kHz), ce qui correspond à un son très aigu. Attention, l’échelle sur le graphique est logarithmique.

Un son de fréquence 40 Hz et de niveau sonore 40 dB peut-il être entendu par une oreille humaine ?

Non, il faudrait un niveau sonore ou une fréquence plus élevée.

Le niveau sonore d'un chuchotement est de 30 décibels.

Quel est le domaine de fréquences audibles par une oreille humaine d'un son de cette intensité ?

Entre 100Hz et 15 000Hz(15kHz) ce qui englobe largement les fréquences où sont émises les voix humaines.

Quelle est la valeur moyenne du niveau sonore correspondant au seuil de douleur ?

Environ 120 dB sur à peu près toute la plage d’audition.

3/ Bruit anti -jeuneImage
(8 mn)
perte d’audition en fonction de l’âge

Ces courbes représentent l’évolution de la sensibilité de l’oreille humaine en fonction de l’âge. L’ordonnée est la « perte d’audition ». Cette grandeur s’exprime en décibel (dB) ; elle est égale à zéro pour une oreille « normale ».

L’écart d’audition entre les jeunes et les personnes plus âgées est-il plus important pour les grandes ou pour les petites fréquences ?

Il est bien plus importants pour les sons de haute fréquence, c'est-à-dire les sons aigus.

Pour les sons de quelles fréquences, une personne de 60 ans a-t-elle perdu plus de 20 dB d’audition ?

Pour les sons dont la fréquence est supérieur à 2kHz

Un lycéen a téléchargé sur son téléphone portable une sonnerie « spécial jeunes ». Le signal électrique correspondant est représenté ci-dessous.Chaque division horizontale vaudra 25 microsecondesson anti-jeune

Quelle est la période du son correspondant ?

Mesurer sur plusieurs périodes permet d'être plus précis :2 périodes = 8,5 carreaux. 2T = 213 microsecondes donc T = 107microsecondes

Ce son est-il entendu par un jeune de 20 ans à l’oreille « normale » ?

Fréquence du signal=9,3 kHz. Ce son est entendu par un jeune de 20 ans qui a une oreille normale car il n’a pas perdu d’audition. Sa perte auditive est nulle.

Pourquoi cette sonnerie est-elle appelée « sonnerie secrète des jeunes » ?

On remarque que pour f=15 kHz, la perte auditive est supérieure à 15 dB pour une personne de 40 ans, elle est supérieure à 20 dB pour une personne de 50 ans et supérieure à 40 dB pour une personne de 60 ans. Comme la perte auditive est importante, les personnes âgées n’entendent pas ce type de sonnerie.

3/ Tenor ou soprano?Image
(5 mn)
tessitures de voix et d'instruments

La tessiture indique sur quelle plage de notes un chanteur(ou un instrument) peut jouer. Le Do1 a une fréquence de 65Hz. On peut calculer la fréquence du Do2 en multipliant par 2 car à chaque fois qu'on monte d'une octave, la fréquence est doublée.

Quelle est la tessiture (le domaine de fréquence) d’un ténor ?

Un ténor a normalement une tessiture comprise entre le Do2 et le Do4 donc entre 65*2 =130Hz et 65*23=520Hz.

Quelle est la tessiture (le domaine de fréquence) d’un soprano ?

Un soprano a normalement une tessiture comprise entre le Do3 et le Do5 donc entre 65*22 =260Hz et 65*24=1040Hz =1,04kHz (1 kHz=1000Hz)

Appliquer

3/ Test d'auditionMatériel et protocole
(10 mn)
Un générateur basse fréquence Un haut-parleur
fils de connexion

Fais varier la fréquence et relève la fréquence la plus grave et la fréquence la plus aigue que tu puisses entendre.

Trace un axe de gauche à droite représentant les fréquences sonores. Quelle est l'unité de la fréquence?

La fréquence s'exprime en Hertz.

Sur cet axe, où se trouve les graves? Où se trouvent les aigus?

Les graves se trouvent à gauche et les aigus à droite.

Placer les fréquences limites d'audibilité sur l'axe. (La fréquence la plus haute et la plus basse que les humains peuvent entendre).

On placera 20Hz sur la gauche et 20kHz sur la droite de la courbe en laissant de la place aux extrémités.

Placer les mots infrasons, fréquences audibles et ultrasons sur l'axe grâce à ces fréquences limites.

Infrasons<20Hz<faudibles<20kHz< ultrasons

Place tes propres fréquences limites sur l'axe.

Il te faut pour cela repérer à quel fréquence minimale et maximale tu entends un son.

3/ Le son le plus ultraÂ…Image
(5 mn)
onde echographie

On a représenté sur le document ci-contre le signal électrique correspondant à une onde ultrasonore. Les fréquences des ondes ultrasonores utilisées en échographie sont comprises entre 2 MHz et 13 MHz.

Quelle est la période T de cette onde ultrasonore ?

La lecture graphique donne : T = 250 ns

Calculer la valeur sa fréquence f.

f=4.106Hz=4MHz

La fréquence f appartient-elle au domaine de fréquences utilisées en échographie ?

La fréquence f appartient au domaine de fréquences utilisées en échographie : 13 MHz > f >2 MHz.

Analyse

3/ Beatles on the airImage 
(12 mn)
signal sinusoidal musical periodique

On a fait un agrandissement du signal périodique d’une partie d'une chanson des Beatles grâce à un oscilloscope dont les réglages sont 5V/div et 2ms/div.

L’oscilloscope est branché à une prise en France, à quelle tension et quelle fréquence est alimenté l’oscilloscope ?

Il est alimenté par une tension de 230V et une fréquence de 50Hz.

Quelle est la nature de ce signal? (donne des adjectifs appropriés pour le décrire)

Il est périodique et alternatif. Il est également variable puisqu'il est alternatif.

Quelle est la tension maximale de ce signal ?

Le plus haut pic du signal fait 2 carreaux, chacun des carreau représente 5V donc Umax= 10V

Quelle est la période de ce signal ?

Le signal se répète à l'identique au bout de 5 carreaux qui valent chacun 2ms, la période T = 10ms

Quelle est la fréquence de ce signal ?

Pour calculer la fréquence, on utilise le fait qu'elle soit l'inverse de la période.f = 1/ T = 1 / 0,010s = 100 Hz

Ce son fait-il partie des basses (graves) ou de la mélodie (aigue) ?

Il fait partie des basses, les sons aigues ayant une fréquence bien plus élevée (au dessus de 2000 Hz)

Pourrait-on entendre ce signal si sa fréquence était dix fois plus petite ?Justifie.

Non car si sa fréquence était de 10Hz, ce son serait un infrason et on ne l'entendrait pas.

3/ Timbre des sonsImage
(10 mn)
son, fréquence fondamentale et harmonique

La hauteur d’un son est définie en fonction de la fréquence de sa fondamentale (aussi appelée tonique, c’est la note la plus grave d’un son). Les harmoniques sont les sons de fréquences plus élevées qui ont des fréquences qui sont des multiples de la fréquence de la fondamentale. L’intensité sonore est convertie en tension lors d’un enregistrement. L’intensité des harmoniques par rapport à la fondamentale donne le timbre d’un son, c'est-à-dire sa particularité par rapport au son des autres instruments.
Les documents suivants représentent les signaux électriques correspondant à deux sons ainsi que leurs spectres. Quelles sont les affirmations exactes ? Rectifier éventuellement.

Les sons 1 et 2 ont la même hauteur.

Oui car leurs fondamentales ont la même fréquence :354Hz.

Les sons 1 et 2 ont le même timbre.

Non car on voit que les intensités de leurs harmoniques sont très différentes

Le fondamental du son 1 a pour fréquence 354 Hz.

Vrai car on peut voir sur le graphique de droite que la fréquence la plus grave dans le son 1 est 354Hz

Le fondamental du son 2 a pour fréquence 708 Hz.

Le son de fréquence 708Hz est l’harmonique dont l’intensité est la plus forte mais ce n’est pas la fondamentale qui a pour fréquence 354Hz.

Aucun des deux sons nÂ’est pur.

Un son n’est pur qu’à condition de contenir une seule et unique fréquence, ce qui n’est le cas d’aucun des sons d’ici.

3/ La tessitureAnimation
(9 mn)

Mariah Carey dans une de ses chansons, "You're so cold", a une tessiture allant du fa1, note la plus grave, au fa#6, note la plus aiguë.
La fréquence d’une note est la moitié de la fréquence de la même note un octave au-dessus. Le fa#6 est une note un demi-ton au-dessus du 6.Chacun des 7 tons (note) possède un demi-ton au dessus d'eux sauf le Si et le Mi. Le fa de fréquence 87,3 Hz représente la note fa de l'octave 1.

Sur combien d'octaves environ s'étend la tessiture de la voix de Mariah Carey dans ce morceau ?

Sur 5 octaves, ce qui est beaucoup.

Quelle est la fréquence du fa6?

Pour passer d’une octave à celle d’au-dessus, on multiplie par 2 la valeur de la fréquence. 87,3Hz*25=87,3*32=2790Hz

Combien de demi-tons comprend une octave ?

Une octave comprend 12 demi-tons.

Quelle est la fréquence du fa6#

La gamme tempérée est caractérisée par des demi-tons égaux. Le rapport des fréquences de deux demis-tons est r. "Monter d'un demi-ton" équivaut à "multiplier la fréquence par r".
L'octave étant partagée en 12 demi-tons égaux, on peut dire que "monter d'une octave" équivaut à "monter de 12 demi-tons",ce qui conduit à l'équation 2 = r12 On peut maintenant en déduire le rapport des fréquences de deux demis-tons r = 21/12=1,059 donc pour passer du fa6 au fa#6, il suffit de multiplier par 1,059


Evaluation 1.

Projets

Pourquoi les voisins n'aiment pas les basses... (120 mn)

Comment se propage le son?

Quelle est la différence entre un son grave et aigu?

Mot-clef:hauteur d'un son

Qu'est ce qui fait qu'un son traverse un mur?

Page Web riche en info

Comment se protéger du son?

Casque antibruit

L'effet Doppler et les sirènes (120 mn)

Pourquoi les sirènes des ambulances passe-t-elle de d'aigu à grave?

Effet Doppler

Comment construire un système de détection de la vitesse grâce à l'effet Doppler?

Mot-clef:Radar routier

Resonnance (180 mn)

Pourquoi est-il interdit de marcher au pas cadencé sur un pont?

mot-clef:Resonnancephases constructives et destructives

Comment la Castafiore peut-elle briser les verres en cristal par sa seule voix?

La résonnance vue par PhET

Comment reconnaître un instrument de musique grâce à son signal? (180 mn)

Quel est le lien entre la note jouée et la fréquence

Mot-clef:Hauteur d'un son

Qu'appelle-t-on les harmoniques

mot-clef:son pur

Comment reconnaître la signature d'un instrument de musique?

Mot-clef:timbre d'un instrument

Animation notes/fréquences/accords Les harmoniques
Comment réaliser un sonar ou une échographie? (240 mn)
Animation échographie Animation sonar Réalisation d'un sonar.
La contrebassine et Pythagore (180 mn)
Quelle furent les découvertes de Phytagore à propos de la longueur d'une corde et de la hauteur du son qu'elle émet?
Comment fabriquer une contrebassine?
Peut-on l'accorder? Comment?