Aurélie 27/12/11
 

 

   Sons et lumière : bac S Nlle Calodénie 2011.

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A chaque question correspond une seule réponse. Votre choix doit être accompagné de justifications ou de commentaires brefs  ( définitions, calculs, exemple ou contre-exemple ... ) à l'exception des questions  pour lesquelles l'énoncé précise " Aucune justification demandé ".
On s'intéresse à quelques analogies et différences entre les ondes sonores et les ondes lumineuses.


1. deux types d'ondes.
En 1660, Robert Boyle place dans une enceinte en verre une cloche dont le son est audible. Une fois l'air aspiré par une pompe  pour réaliser un vide partiel, le son n'est plus perceptible, bien que la vibration de la cloche soit toujours visible.

A propos des ondes sonores, que met en évidence cette expérience ?
a) Le son ne se propage pas dans le vide. Vrai.

Le son est une onde mécanique longitudinale qui nécessite un milieu de propagation.
b) L'onde sonore est une onde transversale.
c) L'enceinte en verre absorbe le son de la cloche.
Que peut-on dire de cette même expérience pour la lumière ?
a) La lumière ne se propage pas dans l'air.
b) La lumière est une onde longitudinale.
c) La lumière se propage dans le vide.
Vrai.
La lumière visible fait partie des ondes électromagnétiques ; elle se propage dans le vide ainsi que dans l'air.
2. Des détecteurs aux plages de fréquences différentes.
On considère que la plage de fréquences à laquelle l'oreille humaine est sensible s'étend de fmin = 20 Hz à fmaxi = 20 kHz. On indique que le rapport de deux fréquences séparées par une octave est de 2.
 Combien d'octavs l'oreille humaine est-elle capable de détecter ?
 On peut utiliser l'approximation suivante 210 ~1000.
a) 10 ; b) 2 ; c ) 1000 ( Vrai )
fmaxi / f min = 20 000 / 20 = 1000.
L'oeil humain est sensible aux radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide varie de l1 = 400 nm à l2 = 800 nm. Quelle la relation entre la longueur d'onde, la fréquence f et la célérité c ? Justifier par une analyse dimensionelle. a) l = c f ;
b) l = c/  f  ( Vrai ); c) l = f/c.
[
l] = L ; [c] = L T-1 ;  [f] =T-1 ; [c/f] =L.
En déduire le nombre "d'octaves" que l'on peut associer à la plage de longueurs d'onde des radiations visibles. a) ½
( Vrai ) ; b) 1 ; c) 10.
f1 = c/l1 ;
f2 = c/l2 ;  f2 / f1l1 / l2=400 / 800 = ½.

3. Deux lentilles similaires.
On place 20 cm devant une lentille convergente de distance focale image f ', un ojet AB. L'image A'B' se forme 50 cm après la lentille.
En traçant deux rayons particuliers mesurer la distance focale. a) 0,14 cm ; b) 1,4 cm ; c) 14 cm
( Vrai ).
Déterminer le grandissement g de la lentille. a) -2,5
( Vrai ) ; b) +2,0 ; c) -0,4.

De la même façon qu'en optique on trace des rayons lumineux, les ondes sonores des expériences décrites ci-dessous peuvent être modélisées par des "rayons " sonores.
On réalise l'expérience de Sondhaus décrite  ci-dessous : un ballon rempli de dioxyde de carbone est intercalé entre une montre à aiguilles et un cornet acoustique. On constate que le bruit du mécanisme de la montre est bien mieux perçu par l'expérimentateur lorsque le ballon est présent.



Quel est le rôle du ballon rempli de dioxyde de carbone vis à vis des "rayons" sonores ? Aucune justification demandée.
a) Miroir acoustique ; b) Lentille acoustique
( Vrai ) ; c) Ecran acoustique.

En optique, la réfraction est due à un changement de milieu et donc de célérité. Il en va de même pour les ondes sonores. On montre que la célérité du son dans certains gaz de masse molaire M est donnée par la formule suivante : vson = (1,4 RT / M)½. R, constante des gaz parfaits ; T : température en kelvin ; M(air) = 29 g/mol ; M(CO2) = 44 g/mol.
Que peut-on dire de la célérité du son dans le dioxyde de carbone par rapport à celle de l'air ?
a) la célérité du son est plus petite ( Vrai ) ; b) La célérité du son est plus grande ; c) La célérité du son est constante.
vair = (1,4 RT / M(air))½ ; vCO2 = (1,4 RT / M(CO2))½ ; vair / vCO2 =(M(CO2) / M(air))½  = (44 / 29)½ =1,2.
Le ballon est maintenant rempli avec de l'hélium. Le trajet des rayons sonores est représenté sur la figure ci-dessous. Le ballon se comporte comme un dispositif acoustique. Aucune justification demandée.
a) Convergent ; b) Non convergent ( Vrai ) ; c) Réfléchissant.

Transmission d'une onde sonore à l'aide d'une onde électromagnétique.
Grâce à la modulation d'amplitude, un signal sonore basse fréquence peut être transmis par une onde électromagnétique de haute fréquence. Pour une telle modulation, on réalise successivement plusieurs étapes schématisées ci-dessous :

Quelle opération réalise la fonction 1 pour les deux signaux d'entrée ? Aucune justification demandée.
a) une addition ( Vrai ) ; b) une multiplication ; c) une soustraction.
Quelle opération réalise la fonction 2 ? Aucune justification demandée.
a) une addition  ; b) une multiplication ( Vrai ) ; c) une soustraction.
On visualise sur un oscilloscope correctement réglé les signaux modulé et modulant.
Choisir, parmi les trois oscillogrammes, celui où les deux signaux sont correctement observés. Aucune justification demandée.
c) (vrai) .



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Les échos ultrasonores et laser.
Le sonar est un appareil qui émet une onde ultrasonore. Il mesure le temps d'un aller et retour ce qui permet de calculer la distance à laquelle se trouve l'objet. On peut de la même façon réaliser des échos laser vers la lune et en déduire la distance terre-lune avec une grande précision. Pour cela les astonaumes des missions Apollo ont déposé sur la lune des rétroréflecteurs composés de nombreux coins de cube qui sont constitués de miroirs plans perpendiculaires entre eux. Une vue en coupe est schématisée. Sur la figure suivante, un rayon incident est représenté.
Choisir la bonne réponse et la justifier en traçant le rayon émergent du coin du cube.
a) le rayon émergent est confondu avec le rayon incident.
b) le rayon émergent est parallèle au miroir M2.
c) le rayon émergent est parallèle au rayon incident. (Vrai).

L'observatoire de la Côte d'Azur situé sur le plateau de Calern utilise régulièrement l'écho laser pour mesurer la distance terre-lune. Lorsque le laser est braqué vers un rétroréflecteur lunaire, la durée Dt de l'aller-retour est d'environ 2,5 s. La distance terre-lune, notée d est égale à :
a) 7,5 105 km ; b) 3,8 105 m ; c) 3,8 105 km.
(Vrai).
d = c Dt / 2 = 3,0 108 *2,5 / 2 ~3,8 108 m ~3,8 105 km.








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