Phys. N° 02

Les Ondes

progressives

périodiques.

Cours.

 

   

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Programme 2012 :

Propriétés des Ondes

Carcatéristiques des Ondes.

Programme 2012 : Physique et Chimie

 

I- Les ondes progressives périodiques.

1)- Onde périodique progressive

le long d'une corde.

2)- Expérience avec la cuve à ondes.

3)- Les ondes sonores.

4)- Conclusion.

II- Dispersion et diffraction des ondes.

1)- Dispersion des ondes.

2)- Diffraction des ondes.

III- Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices.

TP Mesure de la célérité d’une onde.

TP Mesure de la célérité d'un son dans l'air.

QCM N° 01 et N° 02
Ondes mécaniques
Sous forme de tableau

QCM N° 02
Caractéristiques des ondes
Sous forme de tableau
QCM N° 03
Propriétés des ondes
Sous forme de tableau

Exercices : énoncé avec correction

1)- Exercice 9 page 62.

2)- Exercice 13 page 63

3)- Exercice 19 page 64.

4)- Exercice 26 page 65.

5)- Exercice 27 page 65 et 66.

Pour aller plus loin : 

Mots clés : longueur d'onde, période, fréquence, célérité, dispersion, diffraction, ...

 

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I- Les ondes progressives périodiques.

1)- Onde progressive périodique le long d’une corde.

a)- La source : le vibreur.

-  Le vibreur est constitué d’une lame élastique placée devant un électroaimant qui est alimenté par un courant alternatif.

-  Lors du fonctionnement, l’extrémité de la lame effectue des oscillations périodiques.

-  Le phénomène se reproduit de manière identique à intervalle de temps T appelé période.

-  La période T des oscillations est la durée d’une oscillation complète.

Cette durée s’exprime en seconde s.

-  La fréquence f du phénomène représente le nombre de période par seconde.

C’est l’inverse de la période.

-    

La fréquence s’exprime en Hertz : Hz.

b)- L’onde progressive périodique.

-  À l’extrémité S de la lame, on attache une corde élastique, puis on met le vibreur en mouvement.

-  La perturbation périodique se propage le long de la corde jusqu’au point B.

-  On place du coton au point B pour amortir le phénomène et éviter la réflexion de l’onde.

-  Une onde progressive périodique se propage le long de la corde.

c)- Mouvement d’un point de la corde.

-  On peut étudier le mouvement de chaque point de la corde de deux façons :

-  On peut effectuer un enregistrement vidéo et faire une observation au ralenti.

-  On peut effectuer une observation stroboscopique.

-  Un stroboscope est un appareil qui délivre des éclairs très brefs à intervalle de temps régulier réglable.

-  Il permet d’immobiliser le phénomène et de l’observer au ralenti.

-  On éclaire la corde avec un stroboscope et on règle la fréquence des éclairs du stroboscope afin d’observer une corde immobile.

-  Si on augmente légèrement la fréquence des éclairs, on peut observer le mouvement au ralenti d’un point marqué d’un repère.

-  Lorsque la corde est immobile, tous les points de la corde effectuent entre deux éclairs consécutifs une ou plusieurs oscillations complètes.

-  En conséquence, tous les points de la corde vibrent avec la même fréquence que la source et tous les points de la corde effectuent le même mouvement que la source.

-  L’onde progressive possède une périodicité temporelle.

-  La source et chaque point de la corde atteint par l’onde vibrent avec la même période T.

d)- La longueur d’onde λ.

Animation

 

-  On utilise l’éclairage stroboscopique et on immobilise la corde.

-  Certains points M1, M2, M3 ont exactement le même mouvement à chaque instant. Ils sont dans le même état physique.

-  Ils passent à leur position d’équilibre ou à leur écartement maximal aux mêmes instants.

-  On dit que les points M1, M2, M3 …vibrent en phase.

Définition de la longueur d'onde λ :

La longueur d’onde λ est la distance séparant deux points consécutifs du milieu qui vibrent en phase.

La longueur d’onde λ est la distance parcourue par l’onde pendant une période.

-  En conséquence : deux points séparés par une distance multiple de la longueur d’onde vibrent en phase.

-  Si d est la distance qui sépare deux points qui vibrent en phase alors  d = k . λ avec  k N*  

e)- Relation fondamentale.

-  Il découle de ceci que pendant la durée d’une période T, l’onde parcourt la distance d égale à la longueur d’onde λ.

-  Si v représente la célérité de l’onde, on peut écrire la relation liant ces différentes grandeurs.

-  

La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant une période.

-  Une onde progressive périodique possède une double périodicité.

-  Une périodicité temporelle T et une périodicité spatiale λ.

2)- Expérience avec la cuve à ondes.

a)- Le dispositif.

-  Le dispositif est constitué d’une cuve horizontale contenant une faible épaisseur d’eau.

-  Un générateur à fréquence variable met en mouvement un vibreur ce qui crée des ondes qui se propagent à la surface de l’eau.

-  La forme des ondes obtenues dépend de la forme du vibreur.

-  Si le vibreur est une pointe, on obtient des ondes circulaires.

-  Les parois de la cuve sont équipées d’un feutre pour amortir les ondes et éviter le phénomène de réflexion.

-  Un dispositif optique permet de visualiser la surface de l’eau sur un écran vertical.

b)- Observations.

-  En éclairage normal, on observe des rides circulaires claires et sombres qui se propagent à partir de la pointe.

-  En éclairage stroboscopique à une fréquence convenable, on voit des rides circulaires concentriques immobiles.

-  Certaines sont blanches (elles correspondent à des creux), d’autres sont sombres (elles correspondent à des crêtes).

ondecir01.avi

ondepla04.avi

 

Animation

 

c)- Interprétation.

-  L’onde progressive périodique possède une périodicité spatiale.

-  Tous les points situés sur une ride vibrent en phase.

-  Les points situés sur deux rides sombres (ou claires) vibrent en phase.

-  Deux rides sombres consécutives sont distantes d’une longueur d’onde λ.

3)- Les ondes sonores.

a)- Expérience.

-  Montage :

Le son émis par le haut-parleur est capté par le microphone M.

On réalise les deux branchements sur l’oscilloscope.

b)- Exploitation.

-  Quelles sont les deux tensions visualisées à l’oscilloscope ?

-  On règle le G.B.F sur 1000 Hz.

Quelles est la fréquence des tensions observées à l’oscilloscope ?

-  Quelles est la fréquence du son capté par le microphone ?

-  Quelles sont les observations que l’on peut faire lorsque l’on éloigne le micro du H.P ?

-  Quelles sont les caractéristiques de l’onde sonore ?

-  Lorsque le micro occupe la position M1, les deux courbes sont en phase.

-  On déplace le micro jusqu’à ce que les deux courbes soient de nouveau en phase.

-  Le micro occupe la position M2. Que peut-on dire de la distance M1 M2 ? En déduire la vitesse du son dans l’air.

4)- Conclusion.

Le son est une onde progressive périodique sinusoïdale.

Il possède une périodicité temporelle et une périodicité spatiale.

Le son est une onde progressive périodique longitudinale.

Une couche d’air subit un petit déplacement autour de sa position d’équilibre.

Ce petit déplacement se transmet aux couches voisines.

Il se crée ainsi des zones de compression et de dépression.

 

II- Dispersion et diffraction des ondes.

1)- Dispersion des ondes.

-  Célérité d’une onde périodique à la surface de l’eau :

ondefb.avi

ondefm.avi

ondefh.avi

 

-  Tableau de valeurs :

f (Hz)

20

25

30

35

λ (cm)

1,0

0,90

0,80

0,70

v (m / s)

0,20

0,23

0,24

0,25

 

-  Un milieu est dispersif si la célérité de l’onde dans le milieu dépend de la fréquence imposée par la source.

-  C’est le cas de la cuve à ondes.

La célérité de l’onde progressive périodique dépend de la fréquence de la source.

-  Un milieu est non dispersif si la célérité des ondes dans ce milieu ne dépend pas de la fréquence.

-  Dans le cas d’une cuve à ondes, la célérité des ondes dépend aussi de la profondeur de l’eau.

-  Si la profondeur de l’eau est de 3 mm environ, le phénomène de dispersion est très important.

-  Pour une profondeur de 6 mm environ, la dispersion est minimale.

-  L’air est-il un milieu dispersif pour les ondes sonores ?

-  Le roulement du tonnerre provient du fait que l’air est un milieu dispersif pour des ondes sonores de grande amplitude :

-  les sons graves dans ce cas se propagent moins vite que les sons aigus.

-  Mais l’air n’est pas dispersif pour les ondes sonores habituelles.

Tous les sons se propagent à la même vitesse dans l’air.

2)- Diffraction des ondes.

a)-     Mise en évidence du phénomène.

-  Expérience :

On produit des ondes rectilignes grâce à la cuve à onde et on observe se qui se passe lorsque ces ondes rectilignes rencontrent une ouverture.

-  Lorsque l’ouverture est grande, les ondes rectilignes sont peu affectées lors du passage de celle-ci.

-  Lorsque l’ouverture devient plus petite, on observe une modification de l’onde rectiligne après le passage de l’ouverture.

-  On a mis en évidence le phénomène de diffraction.

-  Ce phénomène est caractéristique des ondes.

-  L’onde qui arrive sur l’ouverture est appelée : onde incidente et l’onde après l’ouverture est appelée onde réfractée.

-  Lors du passage de l'ouverture ou d'un obstacle de petite dimension l'onde perd de sa directivité.

b)- Influence des dimensions de l’ouverture ou de l’obstacle.

-  Le phénomène de diffraction dépend des dimensions de l’ouverture ou de l’obstacle.

-  Ce phénomène se manifeste si les dimensions de l’ouverture ou d’un obstacle sont du même ordre de grandeur que la longueur d’onde λ.

-  L’onde diffractée a même fréquence et même longueur d’onde que l’onde incidente.

-  Pour une longueur d’onde donnée, le phénomène de diffraction est d’autant plus marqué que la dimension de l’ouverture ou de l’obstacle est plus petite.

-  Schéma :

Fente large 

 

Fente petite 

 

III- Applications.

1)- QCM :

QCM N° 01 et N° 02
Ondes mécaniques
Sous forme de tableau

QCM N° 02
Caractéristiques des ondes
Sous forme de tableau
QCM N° 03
Propriétés des ondes
Sous forme de tableau

2)- Exercices :

 

1)- Exercice 9 page 62.

2)- Exercice 13 page 63

3)- Exercice 19 page 64.

4)- Exercice 26 page 65.

5)- Exercice 27 page 65 et 66.