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EXERCICE I. PROPAGATION DES ONDES (4 points) Cet exercice est un questionnaire

EXERCICE I. PROPAGATION DES ONDES (4 points) Cet exercice est un questionnaire à réponses ouvertes courtes. A chaque question peuvent correspondre aucune, une ou plusieurs propositions exactes. Pour chacune des questions, plusieurs réponses ou affirmations sont proposées. Inscrire en toutes lettres « vrai » ou « faux » dans la case correspondante du tableau figurant dans L’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE. Donner une justification ou une explication dans la case prévue à cet effet. Une réponse fausse ou une absence de réponse sera évaluée de la même façon. Les parties 1, 2, 3 et 4 sont indépendantes et peuvent être traitées séparément. 1. Ondes infrasonores. Les éléphants émettent des infrasons (dont la fréquence est inférieure à 20 Hz). Cela leur permet de communiquer sur de longues distances et de se rassembler. Un éléphant est sur le bord d’une éten- due d’eau et désire indiquer à d’autres éléphants sa présence. Pour cela, il émet un infrason. Un autre éléphant, situé à une distance L = 24,0 km, reçoit l’onde au bout d’une durée t = 70,6 s. La valeur de la célérité de l’infrason dans l’air v est : 1.1. v = 34,0 km.s-1 ; 1.2. v = 340 km.s-1 ; 1.3. v = 340 m.s-1 . 2. Ondes à la surface de l’eau Au laboratoire, on dispose d’une cuve à onde contenant de l’eau immobile à la surface de laquelle flotte un petit morceau de polystyrène. On laisse tomber une goutte d’eau au-dessus de la cuve, à l’écart du morceau de polystyrène. Une onde se propage à la surface de l’eau. 2.1. Ceci correspond : 2.1.1. à une onde mécanique ; 2.1.2. à une onde longitudinale ; 2.1.3. à une onde transversale ? 2.2. L’onde atteint le morceau de polystyrène. 2.2.1. Celui-ci se déplace parallèlement à la direction de propagation de l’onde ; 2.2.2. Celui-ci se déplace perpendiculairement à la direction de propagation de l’onde ; 2.2.3. Celui-ci monte et descend verticalement ; 2.2.4. Celui-ci reste immobile. 3. Ondes le long d’une corde L’extrémité gauche d’une corde est reliée à un vibreur effectuant des oscillations sinusoïdales entretenues à partir d’un instant de date t0 = 0 s. Les graphiques 1 et 2 représentent l’état de la corde à une date donnée. Les élongations y et les abscisses x sont graduées en cm. On néglige tout amortissement dans la totalité des questions de cette partie 3. . 3.1. Le graphique 2 ci-dessus permet de déterminer la valeur numérique de la longueur d’onde . On trouve : 3.1.1.  = 20 cm ; 3.1.2.  = 30 cm ; 3.1.3.  = 46 cm . 3.2. À partir des graphiques 1 et 2, déterminer la valeur de la période temporelle T : 3.2.1. T = 30 ms ; 3.2.2. T = 60 ms ; 3.2.3. T = 18 ms . 3.3. La célérité de l’onde dans la corde est : 3.3.1. v = 5,0 m.s-1 ; 3.3.2. v = 10,0 m.s-1 ; 3.3.3. v = 15,0 m.s-1 . 3.4. Dans la même expérience, parmi les graphes 3, 4, 5 et 6 ci-dessous, celui représentant l’aspect de la corde à l’instant de date t = 180 ms est le : 3.4.1. graphe 3 ; 3.4.2. graphe 4 ; 3.4.3. graphe 5 ; 3.4.4. graphe 6 . 4. Ondes lumineuses 4.1. La propagation de la lumière visible : 4.1.1. montre que c’est une onde mécanique ; 4.1.2. s’effectue avec une célérité plus petite dans l’eau que dans le vide (indice de réfraction de l’eau : n = 1,3) ; 4.1.3. s’effectue avec la même célérité, dans un milieu dispersif donné, quelle que soit la fréquence de la radiation. 4.2. La lumière rouge : 4.2.1. correspond à des longueurs d’onde plus grandes que celles de la lumière bleue ; 4.2.2. se situe dans un domaine de fréquences plus petites que celles du domaine de l’infrarouge ; 4.3. La lumière visible peut être diffractée. 4.3.1. Le phénomène de diffraction de la lumière visible par une fente est plus marqué pour une fente de largeur 0,5 m que pour une fente de largeur 5 m ; 4.3.2. Pour une lumière monochromatique, l’écart angulaire du faisceau diffracté par une fente est proportionnel à la largeur de la fente ; 4.3.3. L’écart angulaire du faisceau diffracté par une fente de largeur donnée est plus petit pour une radiation rouge que pour une radiation bleue. Exercice 2 : Comment déterminer le relief du fond marin avec un sondeur ? (5,5 pts) Les trois parties de l’exercice sont indépendantes 1. Étude de l’onde ultrasonore dans l’eau de mer. 1.1 Définir une onde mécanique progressive. 1.2 L’onde ultrasonore est-elle une onde longitudinale ou transversale ? Justifier la réponse. 1.3 La lumière est une onde progressive périodique mais elle n’est pas mécanique. 1.3.1 Citer un fait expérimental qui permet de décrire la lumière comme une onde. 1.3.2 Quelle observation permet de montrer que la lumière n’est pas une onde mécanique ? 2. Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l’eau. La célérité des ultrasons dans l’air vair = 340 m.s-1 est plus faible que la célérité des ultrasons dans l’eau de mer veau. Un émetteur produit simultanément des salves d’ondes ultrasonores dans un tube rempli d’eau de mer et dans l’air (voir figure 1). À une distance d de l’émetteur d’ondes ultrasonores, sont placés deux récepteurs, l’un dans l’air et l’autre dans l’eau de mer. Le récepteur A est relié à l’entrée A du système d’acquisition d’un ordinateur et le récepteur B à l’entrée B. L’acquisition commence lorsqu’un signal est reçu sur l’entrée B du système. 2.1 Pourquoi est-il nécessaire de déclencher l’acquisition lorsqu’un signal est reçu sur l’entrée B ? 2.2 Donner l’expression du retard t entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs en fonction de tA et tB, durées que mettent les ultrasons pour parcourir respectivement la distance d dans l’air et dans l’eau de mer. 2.3 On détermine t pour différentes distances d entre l’émetteur et les récepteurs. On traite les données avec un tableur et on obtient le graphe t = f(d) ci-dessous. t = f(d) 2.3.1 Donner l’expression de t en fonction de d , vair, veau. 2.3.2 Justifier l’allure de la courbe obtenue. 2.3.3 Déterminer graphiquement le coefficient directeur de la droite t = f(d). En déduire la valeur de la célérité veau des ultrasons dans l’eau de mer en prenant vair = 340 m.s-1. 12 V continu eau de mer Récepteur B Entrée B Entrée A Récepteur A Émetteur d Figure 1 3,00 t (ms) 1,20 d (m) 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3. Détermination du relief des fonds marins. Dans cette partie on prendra veau = 1,50×103 m.s-1. Un sondeur acoustique classique est composé d’une sonde comportant un émetteur et un récepteur d’onde ultrasonore de fréquence f = 200 kHz et d’un boîtier de contrôle ayant un écran qui visualise le relief des fonds sous-marins. La sonde envoie des salves d’ultrasons verticalement en direction du fond à des intervalles de temps réguliers ; cette onde ultrasonore se déplace dans l’eau à une vitesse constante veau. Quand elle rencontre un obstacle, une partie de l’onde est réfléchie et renvoyée vers la source. La détermination du retard entre l’émission et la réception du signal permet de calculer la profondeur p. Un bateau se déplace en ligne droite suivant un axe x’x en explorant le fond depuis le point A xA = 0 m jusqu’au point B xB = 50 m (figure 2). Le sondeur émet des salves d’ultrasons à intervalles de temps égaux, on mesure à l’aide d’un oscilloscope la durée t séparant l’émission de la salve de la réception de son écho. 3.1 L’oscillogramme ci-dessous montre l’écran d’un oscilloscope lorsque le bateau se trouve en A (xA = 0 m). L’une des voies représente le signal émis, l’autre le signal reçu par le récepteur. Sur l’oscillogramme, on a décalé la voie 2 vers le bas pour distinguer nettement les deux signaux. Sensibilité Horizontale : 10 ms / div Oscillogramme La figure 3 se trouvant sur l’annexe à rendre avec la copie représente t = f(x) lorsque le bateau se déplace de A vers B. 3.1.1 Identifier les signaux observés sur chaque voie, en justifiant. 3.1.2 À partir de l’oscillogramme, déterminer la durée t entre l’émission de la salve et la réception de son écho. 3.1.3 En déduire la graduation de l’axe des ordonnées de la figure 3 se trouvant sur l’annexe à rendre avec la copie représentant la durée t en fonction de la position x du bateau. 3.2 Déterminer la relation permettant de calculer la profondeur p en fonction de t et veau. 3.3 Tracer sur la figure 4 se trouvant sur l’annexe à rendre avec la copie, l’allure du fond marin exploré en précisant la profondeur p en mètres en fonction de la position x du bateau. 3.4 Le sondeur envoie des salves d’ultrasons à intervalles de temps réguliers T. Pour une bonne réception, le signal émis et uploads/Geographie/ sds-02 1 .pdf