TP 2 Etude des ultrasons - rmspc - Free

SPC – Thème Observer – http://rmspc.free.frTP 2 Étude de la propagation d’une ondeObjectifs : Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier qualitativement et quantitativement un phénomène depropagation d'une onde. Définir la période, la fréquence et la longueur d'onde d'une onde progressive sinusoïdale.I. ÉcholocalisationLes chauves-souris émettent des salves ultrasonores afin de localiser leurs proies, en analysant la durée entrel'émission et la réception des salves. Pour déterminer précisément la distance entre deux points par la mesure duretard d'une onde ultrasonore, il faut connaitre la célérité de l'onde. Mesurons-la dans l'air.1. Mise en place de l'émetteur et des récepteursL’émetteur est constitué d’un quartz piézo-électrique qui a la propriété de se contracter lorsqu’onlui applique une différence de potentiel (ddp) entre ses deux faces. Soumis à une ddp alternative,le quartz se met à vibrer et produit une onde acoustique transformant l’énergie électrique reçueen énergie mécanique. Cette transformation est un phénomène réversible : soumis à unecontrainte (compression au passage d’une onde acoustique), le quartz se déforme et il apparaîtémetteurune ddp entre ses faces. Le quartz devient alors un récepteur.Pour des vibrations optimales, il faut que la fréquence excitatrice soit égale à la fréquence propre de résonance duquartz.a. Connecter l’émetteur au générateur 15V afin de l’alimenter électriquement et le régler enmode sinusoïdal.b. Relier le récepteur R 1 à la voie 1 de l’oscilloscope, le placer à quelques cm face à l’émetteur.c. Faire varier la fréquence du signal émis par l'émetteur (à l'aide de la molette) entre 10 kHz et 60kHz tout en visualisant le signal de réception à l’oscilloscope, jusqu'à ce que l'amplitude du signalreçu par R 2 soit maximale.d. Pour la suite, on conservera cette fréquence : la position de la molette ne doit plus êtremodifiée.2. Mesure de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l'airrécepteura. Régler l'émetteur en mode salve.b. Relier le récepteur R 2 à la voie 2 de l’oscilloscope.c. Le récepteur R 1 est maintenu fixe, à l'abscisse x 1. Le récepteur R 2 est mobile, à l'abscisse x 2. Mesurer diversesdistances d = x 2 - x 1 et les retards ∆t correspondants à l'oscilloscope, entre une salve reçue sur la voie 2 et celle reçuealimentation continue 15Vsur la voie 1.1. Reporter les valeurs mesurées dans le tableur LoggerPro.2. Représenter les points expérimentaux sur un graphique d = f(∆t).3. Modéliser la courbe.4. En déduire la relation entre d et ∆t.5. En déduire la valeur de la vitesse des ultrasons dans l'air.

II. Etude des caractéristiques d'une onde sinusoïdaleLa période T d'une onde périodique est la durée qui sépare deux passages consécutifs du signal par l'axe desabscisses, dans le même sens.Deux signaux sont en phase lorsque leurs maxima ont lieu en même temps.La longueur d'onde (en m) est la plus petite distance au bout de laquelle le milieu de propagation se retrouve dans lemême état vibratoire. La longueur d'onde est la distance parcourue par la perturbation pendant une période T.a. Reprendre le montage de la partie 1 et régler l'émetteur en mode sinusoïdal.b. Observer à l'oscilloscope les deux voies à la fois. Mesurer la période T des signaux.c. Maintenir le récepteur R 1 fixe et rechercher une position du récepteur R 2 telle que les deux signaux soient enphase. Noter la valeur x i de la position correspondante.d. Déplacer le récepteur R 2 en comptant 10 fois la mise en phase des deux signaux. Noter alors la nouvelle valeur x fde la position du récepteur R 2.1. Déduire des mesures réalisées la fréquence f et la longueur d'onde λ de l'onde ultrasonore.2. Donner les expressions liant les grandeurs suivantes: période T, fréquence f, longueur d'onde λ et célérité del'onde C onde.3. Donner alors la valeur de la célérité de l'onde ultrasonore.