Aurélie 26/09/12
 

 

   Ondes électromagnétiques, ondes sonores, interférences, effet Doppler.

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Ondes électromagnétiques.
Donner les limites des longueurs d'onde du domaine visible. Préciser les couleurs aux limites.

Les longueurs d'onde du domaine visible s'étendent, dans le vide ou dans l'air, de 400 nm à 800 nm.
Les couleurs aux limites sont le violet ( vers 400 nm) et le rouge ( vers 800 nm).
Situer sur un schéma les domaines d'ondes suivants : UV, IR, rayons g, ondes radio, rayons X, micro-ondes.

Citer un rayonnement totalement absorbé par l'atmosphère. Les ondes radio sont-elles absorbées ? Comment les détecte-t-on ?
Les UV sont presque totalement absorbés par l'atmosphère. Les rayons g sont totalement absorbés par l'atmosphère terrestre.
Les fréquences radio ne sont pas absorbées par l'atmosphère. On les détecte grâce à une antenne.
Calculer la fréquence d'une radiation de longueur d'onde dans le vide l = 310 nm.
n = c / l = 3,00 108  (310 10-9) =9,68 1014 Hz.
Exprimer et calculer l'énergie transportée par ce photon.
E = h n = 6,62 10-34 *
9,68 1014 = 6,41 10-19 J.
Citer un effet des UV sur le corps humain.
A court terme des brûlures de la peau, à long terme,  le vieillissement prématuré de la peau et l'apparition de cancers cutanés ainsi que les cataractes.

Ondes sonores.
Une sirène émet un son de fréquence f = 510 Hz ; ce dernier se propage dans l'air à la célérité v = 340 m/s.
Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses ?
a) L'onde sonore se propage dans un milieu matériel avec transport de matière. Faux.
( une onde ne transporte pas de matière mais de l'énergie).
b) L'onde sonore est longitudinale. Vrai.
c) Un point situé à 17,0 m de la sorce reproduit le mouvement de cell-si avec un retard Dt = 0,5 s.
Faux.
Dt = distance / célérité = 17,0 / 340 =5,00 10-2 s.
d) Le front d'onde a parcouru 2,7 m à t = 4 T.
Vrai.
Le front d'onde a parcouru la distance d = 4 v T = 4v /f = 4*340 / 510 =2,67 m.

La hauteur du son
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Définir la hauteur du son.
La hauteur d'un son est caractérisée par la fréquence du fondamental.
Déterminer la hauteur du son pur suivant.

f = 1/T = 1 / (2 10-3 ) = 5 102 Hz.

Le timbre.
On donne le spectre en fréquence d'un son.

Quelle est la fréquence du fondamental, quelle est la hauteur du son, quelles sont les trois fréquences  émises avec la plus grande amplitude.
La fréquence du fondamental ou hauteur du son est égale à 300 Hz.
Les  fréquences 300 Hz, 1200 Hz  et 1500 Hz sont émises avec les plus grandes amplitudes.

Niveau sonore.
Calculer l'intensité I d'un son dont le niveau sonore est L = 60 dB.
I = I0 10 L/10 = 10-12 * 106 = 10-6 W m-2.

L'intensité du son double, de combien augmente le niveau sonore ?
L' = 10 log ( 2I/I0) = 10 log (2 10-6 / 10-12) =63 dB ; L'-L = 63-60 = 3,0 dB.

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Interférences.
Un laser hélium-néon  de longueur d'onde dans le vide l = 633 nm éclaire une fente fine de largeur "a". On observe sur l'écran une tache centrale brillante et de part et d'autre une alternance de taches sombres et brillantes.

Quel phénomène  subit la lumière dans cette expérience ?
La lumière subit un phénomène de diffraction.

Comment évolue la largeur de la tache centrale lorsqu'on réduit la largeur de la fente ? Exprimer q en fonction de L et D.
D'une part q = l / a ; d'autre part tan q ~q = L/(2D) ; par suite : L = 2 l D / a.
Si "a" diminue alors L augmente.

Calculer "a". L = 45 mm et D = 2,00 m.
a =
2 l D / L = 2*633 10-9*2,00 / 0,045 =5,6 10-5 m.
La lumière diffractée arrive sur deux fentes d'un second écran.

Observe-t-on des interférences dans la zone de recouvrement ?
A partir d'une source unique on obtient deux sources secondaires cohérentes et synchrones : on observe donc des interférences dans la zone de recouvrement.
Par contre avec le dispositif suivant, on n'observerait pas d'interférences dans cette même zone.


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Effet Doppler.

V : vitesse du véhicule ; v : célérité du son dans l'air ; f : fréquence du son émis par la sirène.
Exprimer f0 si l'observateur est sur le bord de la route.
q=0 ; cos q = 1 ; f0 = f / (1-V/v)  = f v / (v-V).
Le son perçu par l'observateur est-il plus grave ou plus aigu ? Justifier.
f0 est supérieure à f : le son perçu est donc plus aigu.
Mêmes questions si le véhicule d'éloigne  à la vitesse V de l'observateur immobile.
f0 = f / (1+V/v)  = f v / (v+V).
f0 est inférieure à f : le son perçu est donc plus grave.
Exprimer, puis calculer la vitesse du véhicule qui s'approche de l'observateur si f0 = 680 Hz et f = 640 Hz.
f0 = f v / (v-V) ; f0(v-V) = f v ; v-V = f / f0 v ; V = v ( 1-f / f0 ) = 340 (1-640 / 680) = 20,0 m/s ou 20*3,6 = 72,0 km/h.








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