Physique

• Pour s’échauffer : n° 8, 9, 10

• Célérité et retard : n° 14, 15, 16

• Les ondes périodiques : n° 17, 18, 19

• Entraînement : n° 26, 28

• Pour aller plus loin : n° 32, 34, 36

À l’issue de cette séance vous devriez être capables d’expliquer ce qu’est une onde mécanique progressive et de citer quelques unes des caractéristiques des ondes mécaniques.

Qu’est-ce qu’une onde mécanique ?

Onde se propageant le long d’une corde

On dispose, sur le sol, une corde tenue à l’une de ses extrémités. Avec la main, on imprime rapidement à l’extrémité libre de cette corde un bref mouvement vers le haut puis vers le bas. On observe le phénomène.

Problème

Un groupe d’élèves effectue la mesure de la célérité des ultrasons dans l’air dans une pièce à $\pu{20 °C}$. Leurs résultats sont regroupés dans le tableau ci-dessous :

À partir des mesures obtenues, évaluer la célérité des ultrasons dans l’air à $\pu{20 °C}$ en calculant l’incertitude de répétabilité avec un niveau de confiance de 95 % puis à 99 %.

[Lire]

Le résultat d’une mesure n’est pas une valeur mais un intervalle de valeurs, que l’on note $\pu{m±U(m)}$¹, dans lequel on peut considérer, avec un certain niveau de confiance, que la « valeur vraie » se trouve.

La physique est une science naturelle. Les lois qui décrivent et qui prédisent le comportement des objets doivent être validées par l’expérience et donc par la publication de résultats de mesures (à partir desquelles on peut être amené à effectuer des calculs).

Dans ce document on va se poser les questions suivantes, sans répondre complètement à la seconde :

• Quelle valeur a-t-on réellement mesuré ?
• Quelle confiance peut-on accorder à cette mesure ?

Erreur ou incertitude

L’erreur de mesure $E_{R}$ d’une certaine grandeur est la différence entre la valeur mesurée $m$ et la « valeur vraie » $M$.

Livre scolaire

• 32, 34, 33 pages 509 et 510

Annale

• Autour du papillon

Ne pas traiter les première et deuxième partie (seulement la partie 3).

• D'où viennent les couleurs des ailes des papillons ?

Interférences

Par la suite, toutes les ondes étudiées seront sinusoïdales, de même fréquence $f$.

Un exemple de montage d’étude d’une figure d’interférence

Schéma de principe

Deux ondes sinusoïdales de même fréquence $f$ sont émises par les deux émetteurs $E_1$ et $E_2$. L’émission de ces ondes s’effectuant dans un cône, ces ondes ne se superposent que dans la zone hachurée sur le schéma : c’est le champ d’interférence. Dans toute cette région, ces ondes interférent.

Émission de bips sonores par deux émétteurs

1. Deux émetteurs synchronisés, $E_1$ et $E_2$, émettent chacun un bip sonore, à la date $t=\pu{0 s}$ alors qu’un récepteur $R$ se trouve à la position $R_1$.
   Combien de bips perçoit le récepteur ? Pourquoi ?

Réponse

Le récepteur perçoit un seul bip puisque les deux signaux doivent parcourir la même distance à la même vitesse (car ils se propagent dans le même milieu) et arrivent donc à la même date.

2. On place cette fois le récepteur à la position $R_2$. Que perçoit le récepteur dans ce cas ? Pourquoi ?

Réponse

Le signal issu de l'émetteur $E_1$ doit parcourir une plus petite distance que le signal issu de l'émetteur $E_2$ (ces signaux se propagent avec la même célérité puisqu'ils sont dans le même milieu). Le récepteur perçoit donc deux signaux : celui issu de $E_1$ puis celui issu de $E_2$.

3. Si on note $t_1$ la date à laquelle le récepteur positionné en $R_2$ reçoit le signal issu de $E_1$ et $t_2$ la date à laquelle ce même récepteur reçoit le signal issu de $E_2$, établir l’expression du retard $\tau$ avec lequel le deuxième signal arrive par rapport au premier.

Deux élèves, lors d’une séance de travaux pratiques, réalisent l’expérience suivante. Ils branchent un générateur basse fréquence délivrant une tension sinusoïdale aux bornes d’un haut-parleur. À l’aide de deux microphones identiques reliés à une carte d’acquisition, ils visualisent les signaux électriques $u_1 (t)$ et $u_2 (t)$ produits lors de la réception du son (figures 1 et 2). Les deux microphones $M_1$ et $M_2$ sont séparés par une distance $d$.

Schématisation du montage Figure 1 Figure 2

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Documents

Affaiblissement des signaux

« Un courant électrique passant au travers d’un conducteur dissipe une partie de son énergie sous forme de chaleur (pertes par effet Joule). Il en résulte une diminution de la puissance de ce signal. Les pertes augmentent avec la résistance du câble. La résistance est elle-même fonction de la longueur du câble, de son diamètre et de sa résistivité¹ […] Les technologies xDSL² font passer des signaux électriques à haute fréquence dans les câbles téléphoniques, constitués de fils de cuivre. Compte tenu de ces hautes fréquences, un effet de peau³ apparaît ; il a pour conséquence d’augmenter fortement la résistance du câble, et donc d’atténuer d’autant plus le signal utile en raison du phénomène décrit précédemment. […] Il découle de ce phénomène que certaines habitations, proches des centraux téléphoniques […] bénéficient de débits élevés (jusqu’à $\pu{20 Mbit/s}$, permettant un grand confort d’usage et des services innovants tels que la télévision par ADSL), tandis que d’autres plus éloignés doivent se contenter de $\pu{512 kbit/s}$ — et ce pour un prix d’abonnement identique. »