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1 Séquence 1 – SP03 Séquence 1 Sons et musique Sommaire 1. Prérequis de la séqu

1 Séquence 1 – SP03 Séquence 1 Sons et musique Sommaire 1. Prérequis de la séquence 2. Acoustique musicale 3. Les instruments de musique 4. Récepteurs et émetteurs sonores 5. Sons et architecture 6. Fiche de synthèse © Cned - Académie en ligne 3 Séquence 1 – SP03 1 Prérequis de la séquence Savoir qu’une onde sonore est une onde mécanique progressive longitudinale. Définir la célérité d’une onde mécanique progressive. Connaître et exploiter la double périodicité temporelle et spatiale d’une onde sonore progressive sinusoïdale. Connaître la relation entre période temporelle T et fréquence f de l’onde sinu- soïdale. Objectifs d’apprentissage Pour débuter le chapitre 1. Émission, propagation et réception d’une perturbation L’éclair et le tonnerre sont émis simultanément en un même lieu par la foudre. L’observateur voit l’éclair 10-5 s après l’émission et entend le tonnerre 9 s plus tard. A Exemple de l’éclair et du tonnerre © Cned - Académie en ligne 4 Séquence 1 – SP03 Une perturbation (sonore, lumineuse…) modifie temporairement et localement les propriétés du milieu dans lequel elle se propage c’est-à-dire une grandeur physique caractéristique du milieu (pression, champ électromagnétique…). La propagation d’une perturbation n’est jamais instantanée. On a toujours la séquence dans le temps : émission, propagation, réception. 2. Les perturbations mécaniques et les perturbations électromagnétiques On place une sonnette et une lampe de poche allumée sous une cloche à vide. La son- nette émet des perturbations sonores tandis que la lampe de poche émet des perturba- tions lumineuses. À l’aide de la pompe, on raréfie l’atmos- phère sous la cloche. Les perturbations sonores sont de moins en moins au- dibles tandis que les pertur- bations lumineuses restent parfaitement visibles. La perturbation sonore a besoin d’un milieu matériel (ici l’air) pour se propager alors que la perturbation lumineuse peut se propager dans le vide. On peut distinguer les perturbations dites mécaniques nécessitant un milieu ma- tériel de propagation et les perturbations électromagnétiques pouvant se propa- ger dans le vide. La perturbation sonore appartient à la catégorie des perturba- tions mécaniques tandis que la perturbation lumineuse appartient à la catégorie des perturbations électromagnétiques. Pour apprendre 1. L’onde sonore progressive a) Propagation d’une perturbation mécanique le long d’un ressort Un long ressort est tendu horizontalement. On comprime manuellement quelques spires à une de ses extrémités puis on les lâche rapidement. Expérience Observations Interprétation B Expérience vide pompe à vide B A A : sonnette B : lampe de poche © Cned - Académie en ligne 5 Séquence 1 – SP03 t = 0 S etc etc etc etc etc etc t = 2 t = 3 t = 1 c d t = 4 t = 5 c d c d c d c X Direction de la perturbation Direction et sens de la propagation M M M M M M De proche en proche, une perturbation constituée d’une zone de compression c (spires rapprochées) suivie d’une zone de dilatation d (spires écartées) se propage au sein du milieu matériel (ressort). Seuls les points du milieu, tel M, atteints par la perturbation sont en mouvement. En l’absence de perturbation, ils sont immo- biles. Après le passage de la perturbation, le milieu se retrouve exactement dans l’état où il était auparavant. La perturbation se propage dans un milieu matériel (ressort) sans trans- port de matière. On dit qu’on a affaire à une onde mécanique pro- gressive. Chaque point du ressort subit un déplacement parallèle à la direction de propagation. On dit que l’onde mécanique progressive est longitudinale. Le milieu matériel retrouve son état initial après avoir été temporairement modifié. On dit que le milieu matériel (le ressort) est élastique. Lorsqu’un point d’un milieu de propagation subit un déplacement perpendicu- laire à la direction de propagation, on dit que l’onde est transversale. b) Propagation d’une perturbation mécanique sonore dans un tuyau d’air On considère un tuyau rempli d’air. À l’aide d’un piston (ou membrane de haut- parleur), on crée une perturbation à l’une des extrémités du tuyau. Observations Interprétation Remarque Expérience © Cned - Académie en ligne 6 Séquence 1 – SP03 S Tranche d’air M c d c Direction de la perturbation Direction et sens de la propagation X d c De proche en proche, une perturbation constituée d’une zone de compression c (molécules de l’air rapprochées) suivie d’une zone de dilatation d (molécules de l’air écartées) se propage au sein du milieu matériel (air). Seule la tranche d’air, telle M, atteinte par la perturbation subit un mouvement (attention, dans une tranche, les molécules de l’air sont toujours en mouvement = mouvement brow- nien). Après le passage de la perturbation, le milieu (l’air) se retrouve exactement dans l’état où il était auparavant. La perturbation se propage dans un milieu matériel (air) sans transport de matière. On dit qu’on a affaire à une onde mécanique progressive. Ici, il s’agit plus particulièrement d’une onde mécanique sonore progressive de compression-dilatation ou tout simplement onde sonore progressive. Chaque tranche d’air subit un déplacement parallèle à la direction de propagation. On dit que l’onde mécanique sonore progressive est longitudinale. Le milieu matériel retrouve son état initial après avoir été temporairement modifié. On dit que le milieu matériel (l’air) est élastique. Différencier ondes transversales et ondes longitudinales Définir de la manière la plus complète possible une onde mécanique progressive. Compléter les cases blanches du tableau avec les expressions suivantes : Onde sonore, onde le long d’une corde, onde lors de la compression-dilatation d’un ressort, onde à la surface de l’eau. Ondes à une dimension Ondes à deux dimensions Ondes à trois dimensions Ondes longitudinales Ondes transversales Observations Interprétation Une onde sonore est une onde mécanique progressive longitudi- nale de compression-dilatation. Test 1 © Cned - Académie en ligne 7 Séquence 1 – SP03 c) Célérité d’une onde sonore La célérité V d’une onde mécanique progressive est le quotient de la distance M1M2 (en m) parcourue par l’onde, par la durée )t = t2–t1 (en s) du parcours : V M M t 1 2 = ∆ Sa valeur est mesurée en m/s. Mesure de la célérité du son dans l’air Deux microphones avec amplificateurs intégrés M1 et M2, situés à une distance M1M2 = d = 1,89 m l’un de l’autre, sont respectivement reliés aux voies 1 (CH1) et 2 (CH2) d’un oscilloscope à mémoire. On réalise l’enregistrement d’un clap ci-dessous. Déterminer la célérité V du son dans l’air à la température de l’expérience. d) Influence de la nature du milieu matériel de propagation Célérité du son dans différents milieux matériels de propagation à 20 °C Milieu matériel Air Hélium Hydrogène Eau Glycérine Cuivre Bois Acier Aluminium Granit Célérité (en m/s) 340 970 1 230 1 500 2 000 3 600 3 800 5 000 5 100 6 000 La célérité des ondes sonores dépend du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides et les liquides que dans l’air. Test 2 © Cned - Académie en ligne 8 Séquence 1 – SP03 2. L’onde sonore sinusoïdale a) Exemples d’ondes sonores progressives périodiques À l’aide d’un microphone et d’une carte son d’un ordinateur, on a réalisé ci-dessous l’enregistrement du son émis au cours du temps par différentes sources sonores émettant une note continue. Quelle est la particularité des ondes sonores émises ? L’onde mécanique (ici sonore) émise par chacune des sources se propage dans l’air. Au point M, à la distance SM de la source S, le microphone permet d’enre- gistrer une courbe périodique. On dit que l’onde émise par chacune des sources est une onde mécanique progressive périodique. Dans le cas du diapason, l’onde mécanique progressive émise est dite sinusoïdale. b) Définition Une onde progressive est dite périodique si la perturbation reçue en chaque point du milieu matériel de propagation est une fonction périodique du temps, c’est-à-dire si la perturbation reçue se répète identique à elle-même à intervalles de temps identiques. © Cned - Académie en ligne 9 Séquence 1 – SP03 c) Double périodicité temporelle et spatiale de l’onde sonore La période temporelle T de l’onde progressive périodique est la plus petite durée au bout de laquelle un point du milieu de propagation se retrouve dans le même état vibratoire. La période temporelle de l’onde sonore sinusoïdale est reliée à sa fréquence f par la relation : f T = 1 T s’exprime en secondes (s) f s’exprime en hertz (Hz) La plus petite distance séparant deux points du milieu matériel de propagation ayant le même état vibratoire est la période spatiale Q, encore appelée longueur d’onde et exprimée en mètres (m). Relation entre Q et T À la date t1, l’onde a atteint le point F. À la date t1+T, l’onde a atteint le point F’ : les points F et F’ vibrent en phase, leur distance est égale à une longueur d’onde Q. distance parcourue λ b date t1 + T F F’ propagation de l’onde a date t1 F Période temporelle T Période spatiale Q © Cned - Académie en ligne 10 Séquence 1 uploads/Geographie/ al7sp03setepa0013-sequence-01.pdf