TP 1 : onde mécanique progressive

I) détermination de la vitesse des ultrasons dans l’air

Les ultrasons sont des ondes sonores que nous ne pouvons détectés à l’aide de nos oreilles.

1) Mode Opératoire.

But : Vous devez déterminer la célérité d’une onde ultrasonore dans l’air à la température ambiante.

Matériel : - Emetteur ultrason générateur.

- 2 récepteurs ultrasons

- Câbles de connexion

- Oscilloscope

- Réglet

Montage

à Brancher les récepteurs sur les deux entrées de l’oscilloscope en mode balayage.

à Mettre en marche le générateur de salves ultrasonores.

à Régler la base de temps de l’oscilloscope afin d’obtenir une ou deux salves sur chacune des voies.

à Régler une distance d = 40 cm entre les 2 recepteurs. Déterminer le retard entre les oscillogrammes d’une salve captée par le récepteur R₁ puis par le récepteur R₂.

2) Résultats.

à Q1) A l’aide de la distance entre les 2 réglets d = 40 cm et du retard à la perturbation, déterminer la célérité des ondes ultrasonores dans l’air

à Q2) Comparer la valeur expérimentale à la valeur théorique V_théo = 340 m.s^-1 à 20°C. Evaluer l’incertitude expérimentale. Conclure sur la précision de vos mesures.

De quel type d’onde s’agit-il ?

II) Utilisation du logiciel onde (téléchargeable gratuitement à partir de la rubrique ‘lien’ sur exovideo.com)

1) Réglage préliminaire

1) Lancer le programme de simulation ‘ondes’

2) Choisir la masse linéique de la corde à la valeur :

Choix de la tension de la corde : T = 0,4 N

Dans l’onglet ‘corde’ sélectionner ‘extrémité liée à un amortisseur

Dans l’onglet ‘onde’ :

-régler l’amplitude de la déformation à la valeur A = 40 cm

-durée de la déformation 500 ms

-onde solitaire

3) placer le curseur sur l’image de la corde et marquer en rouge le point source ( x = 0 m ). Placer le point bleu à une distance SM = 5 m (x = 5 m) de la source.

2) Calcul de la célérité de l’onde

Appuyer sur le bouton démarrer, observer.

Q3) De quel type d’onde s’agit-il ?

Q4) Déterminer, à l’aide du graphique , la célérité ‘v’ de l’onde.

Q5) Sachant qu’une force peut être exprimée en kg.m.s^-2 déterminer, par une analyse dimensionnelle, la relation entre v, T et . Calculer la célérité théorique de l’onde et la comparer à la célérité obtenue expérimentalement.

3) Allure de l’élongation d’un point M au cours du temps

Q6) Comment évolue l’élongation du point M au cours du temps par rapport au point source S ?

Q7) Déterminer graphiquement le retard à la perturbation au point M.

4) 2 ondes se croisent.

Choisir dans l’onglet ‘corde’ l’option extrémité fixe’.

Démarrer une onde puis quand celle ci atteint l’extrémité en démarrer une autre.

Q8) Les ondes se perturbent-t-elles quand elles se croisent ?

III) Onde le long d’une corde

On dispose d’une corde de longueur L = et de masse m1 = . On la tend avec une masse m = 1kg (g = 9,8 N/kg)

Q9) Déterminer expérimentalement la célérité de l’onde le long de la corde.

Q10) Déterminer la célérité théorique à partir du II) et la comparer avec la célérité expérimentale.

Annexe : l’oscilloscope

I] Généralités sur l’oscilloscope

1) Constitution de l’oscilloscope

2) A quoi sert un oscilloscope ?

Un oscilloscope permet de : - détecter des tensions continues ou non continues,

- mesurer des grandeurs caractéristiques des tensions (amplitude, période, …),

- visualiser la caractéristique d’un dipôle.

II] Utilisation de l’oscilloscope

1) Branchement dans le circuit

L’oscilloscope se branche aux bornes d’un dipôle en dérivation.

Une des borne de l’oscilloscope est reliée à la masse et l’autre à la voie 1 ou à la voie 2.

Souvent, on utilise des câbles coaxiaux : les deux fils électriques sont dans le même câble.

2) Réglages préparatoires

Noter le numéro du bouton utilisé pour réaliser chacun de ces réglages :

- mettre en route l’oscilloscope

- sélectionner la voie 1 ou la voie 2

- placer la trace au centre de l’écran

- affiner la trace

- se mettre en position DC

3) Visualisation d’une tension continue

a) Fonctionnement en mode X-Y (sans balayage)

Brancher les bornes P et N d’une pile plate aux bornes de la voie 1. Représenter l’écran de l’oscilloscope. Changer de sensibilité verticale S_V (ou calibre de la voie 1), que constate-t-on ?

Inverser les bornes de la pile, que constate-t-on ?

Conclure.

b) Fonctionnement avec balayage (voie Y_A ou Y_B)

Choisir une sensibilité de balayage grande de sorte à observer une trace lumineuse. Noter vos observations.

4) Visualisation d’une tension variable

On utilisera l’oscilloscope en mode avec balayage pour visualiser l’évolution d’une tension au cours du temps. On branchera un GBF en voie 1 de l’oscilloscope.

a) Tension sinusoïdale

Régler le GBF sur une tension sinusoïdale de fréquence f = 1 kHz.

Régler l’oscilloscope de façon à observer 2 ou 3 périodes sur l’écran, mesurer alors l’amplitude U_m = k_Y x S_V et la période de la tension T = k_X x S_H. En déduire la fréquence f = 1 / T et la comparer à la valeur affichée sur le GBF.

b) Autres tensions

Selon la position du sélecteur de tension du GBF, nous obtenons des oscillogrammes de forme triangulaire, rectangulaire, …

Visualiser ces différentes tensions.