cours complet pour le terminale : les ondes mécaniques bien détaillé

I – Comment caractériser une onde mécanique progressive périodique

Périodicité temporelle  d’une onde sonore

Activité 1

Étude d’une onde sonore périodique, en un point de l’espace.

Un diapason est placé près d’un microphone relié à un oscilloscope :

On observe une onde progressive périodique sinusoïdale sur l’écran de  oscilloscope

On  agrandit  le signal affiché sur l’écran de  oscilloscope:

Conclusion :

Un diapason émet un son  qui se propage sous  forme d’une onde progressive périodique sinusoïdale.

Définitions.

Une onde progressive mécanique périodique est le phénomène qui accompagne la propagation d’une perturbation qui se répète identique pendant des intervalles de temps égaux.

• La période T s’exprime en seconde (s), est la durée au bout de laquelle l’air se retrouve dans le même état vibratoire en un point du milieu de propagation

• La fréquence f, exprimée en hertz (Hz), inverse de la période, correspond au nombre de mouvements complets qu’effectue la perturbation en une seconde.

f = 1/T

Périodicité spatiale d’une onde sonore

Activité 2

Étude d’une onde sonore périodique, au même instant, en différents point de l’espace.

• On utilise comme source un haut parleur relié à un GBF 

• On met les deux microphones M₁ et M₂  faces au haut parleur et on les branche aux deux voies de l’oscilloscope.

• On place les deux microphones côte à côte. (Figure1)

• On Laisse le microphone M₁  fixe  et on éloigne le microphone M₂  lentement  du haut parleur le long de la règle graduée. (Figure 2 ) et (Figure 3 )

Qu’est ce que vous observez sur l’écran de l’oscilloscope :

• Lorsque les microphones M₁ et M₂  sont côte à côte ?
• Au moment de l’éloignement de  microphones  M₂?

Observation :

• Lorsque les deux  microphones M₁ et M₂  sont côte à côte nous visualisons 2 sinusoïdes  en phase de même période T et amplitude

• Les 2 sinusoïdes se décalent horizontalement au même temps qu’on éloigne le microphone M₂, ce décalage augmente d’une distance d  entre les deux  microphones M₁ et M₂   jusqu’à ce que les 2 sinusoïdes sont  en phase à nouveau, la distance parcourue du M₂  est  d= λ.

Quand on continue à déplacer M₂  encore  de  décalage des deux  2 sinusoïdes  jusqu’à ce que les 2 sinusoïdes sont encore en phase   pour d=2 λ  et ainsi de  suite …  d=k λ

(K entier = 1 ,2,3…..)

Interprétation

Les sinusoïdes sont en phase pour des distances multiples de la distance λ appelé longueur d’onde qui joue le rôle d’une période dans l’espace

Conclusion :

L’onde sonore présente une double périodicité :

• Une périodicité temporelle de période T ;
• Une périodicité spatiale de période λ, appelé longueur d’onde

Période, longueur d’onde  et fréquence

Regarder (Figure2) pour M₂ décalée par rapport à M₁   d’une distance d, l’onde capté par M₂   retardé  de τ  par rapport à celle capté par  M₁

Si v est la vitesse de propagation de l’onde , on peut écrire :

v =d/ τ

Lorsque le retard est égal à la période T  les 2 ondes sont en phases  (Figure3-2)

Donc la distance  entre les microphones est égale λ   longueur  d’onde

La longueur d’onde l est égale à la distance parcourue par l’onde pendant une période T.

Remarque : la fréquence f est une caractéristique de l’onde alors que la vitesse v dépend de la nature du milieu de propagation, donc  λ dépend de la nature du milieu dans lequel l’onde se propage.

La longueur d’onde  λ est la distance séparant deux points consécutifs du milieu de la propagation présentant le même état vibratoire

L’unité de λ dans le système international est le mètre ( m)

II- Comment caractériser une onde périodique à la surface de l’eau.

Activité 3

Etude de la propagation d’une onde périodique à la surface de l’eau ?

a) Cas de l’onde circulaire

En un point O de la surface libre de l’eau contenue dans une cuve à onde, une pointe reliée à un vibreur effectue un mouvement rectiligne sinusoïdale verticale de fréquence N connue .

• La surface de l’eau est éclairé par des éclaires lumineux périodiques de fréquence N_e connue et réglables à l’aide d’un stroboscope qui nous  permet de déterminer la fréquence N d’un phénomène périodique.
• On commence l’éclairement par des éclaires de fréquence élevée, puis on diminue la fréquence.

Observation :

• En absence des éclaires, il apparaît des rides circulaires qui se forment

au pointe de vibreur et se propagent sur la surface de l’eau, ce sont des ondes mécaniques progressives périodiques.

• Lorsqu’on diminue la fréquence des éclaires du stroboscope jusqu’à la valeur N_e = N on observe une première immobilité apparente des rides circulaires 

Interprétation :

Observation par stroboscope de l’immobilité apparente des rides circulaires  montre que le phénomène est périodique; et que les rides à la surface de l’eau sont équidistantes, donc le phénomène présente une périodicité spatiale de longueur d’onde λ  et une périodicité temporelle T

b) Cas de l’onde rectiligne

Activité 4

• On produit  une onde rectiligne dans une cuve à onde en utilisant une plaque vibrante
• La surface de l’eau est éclairé par des éclaires lumineux périodiques de fréquence N_e réglables à l’aide d’un stroboscope qui nous  permet de déterminer la fréquence N d’un phénomène périodique.

Lorsqu’on diminue la fréquence des éclaires du stroboscope jusqu’à    la valeur N_e = N on observe une première immobilité apparente des rides rectilignes

Observation :

• En absence des éclaires, il apparaît des rides rectilignes qui se forment

 et se propagent sur la surface de l’eau, ce sont des ondes mécaniques progressives périodiques.

• Lorsqu’on diminue la fréquence des éclaires du stroboscope jusqu’à la valeur N_e = N on observe une première immobilité apparente des rides rectilignes

Interprétation :

Observation par stroboscope de l’immobilité apparente des rides rectiligne montre que le phénomène est  périodique; et que les rides rectiligne à la surface de l’eau sont équidistantes, donc le phénomène présente une périodicité spatiale de longueur d’onde λ  et une périodicité temporelle T

III-  Diffraction

Qu’observe-t-on  quand une onde rectiligne rencontre un obstacle  

Activité 5

• On interpose sur le trajet des rides rectilignes un obstacle de deux règles permettant de créer une ouverture réglable (une fente)  de largeur a.
• On diminue la largeur a  de la fente.

Observation

Plus   on diminue ouverture  de la fente, plus le phénomène de diffraction  est marqué.

On  n’observe le  phénomène de diffraction que lorsqu’une la dimension est voisine de la longueur d’onde λ.

Tous  les points situés derrière l’obstacle sont affectés par  onde circulaire.

Interprétation

Le phénomène observé est un phénomène de diffraction, il est important lorsque la largeur a de l’ouverture et la longueur d’onde λ de l’onde sont du même ordre de grandeur.

.

Conclusion

Le phénomène de diffraction se manifeste lorsque les dimensions de l’obstacle sont inférieures ou du même ordre de grandeur que la longueur d’onde.

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

Lire aussi : Les Ondes Mécaniques Progressives

Et en a arrivé à la fin du cours : Les ondes mécaniques progressives périodiques, si vous avez des questions, Coursuniversel est là Pour vous