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ACTIVITE
SECONDE
THEME SANTE
NOM : ..........................
1.
DIAGNOSTIQUE MEDICAL
ONDES SONORES
VITESSE DE PROPAGATION DU SON
PRENOM
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CLASSE
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CLASSE
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Propagation du son.
Le son a besoin dʼun « milieu matériel » pour se propager.
Dans lʼair, le son se propage à une certaine vitesse, il met donc une certaine durée pour arriver jusquʼà nos oreilles à partir du lieu où il a
été produit.
1.1. Quʼest-ce quʼun « milieu matériel » ?
1.2. Rechercher un ou deux exemples qui confirment le fait que la propagation du son nʼest pas un phénomène instantané.
2.
Une détermination historique de la vitesse du son dans lʼair.
L'une des expériences historiques permettant de déterminer la célérité1 du son dans l'air a été réalisée par François Arago, Louis
Joseph Gay-Lussac et Gaspard de Prony en 1822 près de Paris sur ordre du Bureau des Longitudes.
Présenté ci-dessous, l'extrait du traité élémentaire de physique (1836) de Monsieur l'abbé Pinault relate cette expérience.
Les deux stations que l'on avait choisies étaient Villejuif et Montlhéry. À Villejuif, le capitaine Boscary
fit déposer, sur un point élevé, une pièce de six2, avec des gargousses3 de deux et trois livres de
poudre.
À Montlhéry, le capitaine Pernetty fit déposer une pièce de même calibre, avec des gargousses de
même poids. Les expériences furent faites de nuit et commencèrent à onze heures du soir, le 21 et le
22 juin 1822.
De Villejuif on apercevait très distinctement le feu de l'explosion de Montlhéry et vice versa : le ciel
était serein et à peu près calme.
La température de l'atmosphère était de 15,9 degrés Celsius. Les coups de canon des deux stations
opposées étaient réciproques, de sorte que les résultats ne fussent pas influencés par le vent.
Chacun des observateurs notait sur son chronomètre le temps qui s'écoulait entre l'apparition de la
lumière et l'arrivée du son. On peut prendre 54,6 secondes pour le temps moyen que le son mettait à
passer d'une station à l'autre. Les deux canons étaient à une distance de 9 549,6 toises4.
Données : célérité de la lumière dans lʼair c = 3,00 ×10 8 m.s -1 .
1
Vitesse de propagation dʼun phénomène ondulatoire : le son et la lumière sont des ondes.
Pièce de canon.
3
Charge de poudre contenue dans une enveloppe de tissu ou de papier au diamètre de la chambre du canon.
4
Unité de longueur ancienne qui correspond à 1,949 m .
2
2.1. Exprimer en mètre, la distance D entre Villejuif et Montlhéry.
2.2. En utilisant les valeurs mesurées par les observateurs, la célérité des ondes sonores dans lʼair vair, dans les conditions de lʼexpérience.
2.3. Dʼaprès le texte, pour les observateurs, de quel(s) paramètre(s) dépend, à priori, la célérité du son ?
2.4. Les observateurs déclenchent leur chronomètre à lʼapparition de la lumière. Quelle durée négligent-ils ?
Pourquoi est-ce raisonnable ?
3.
La vitesse du son dans lʼeau
Des expériences furent faites par Colladon et Sturm en 1827 sur le lac Léman.
Le son était produit par une cloche immergée frappée par un marteau ; un dispositif lié au marteau produisait un signal lumineux au même
moment. Dans une barque située à une certaine distance, lʼautre expérimentateur voyait le signal lumineux, puis percevait le son au moyen dʼun
grand cornet acoustique immergé dans le lac.
=1
La vitesse de propagation du son trouvée fut veau = 1 435 m.s pour une température de 8,1 °C.
=1
Après une série de nombreuses mesures entre Thonon et Rolles, la vitesse de propagation du son trouvée fut veau = 1 435 m.s pour une
température de 8,1 °C.
La distance entre Thonon et Rolles avait été déterminée avec précision à 13 487 m.
Calculer la durée de propagation mesurée par les expérimentateurs, sachant quʼils utilisaient des chronomètres au dixième de seconde.
4.
Vitesse du son dans lʼacier
–1
Dans lʼacier, la vitesse du son a pour valeur vacier = 5,00 km.s . Le son produit par un choc sur un rail dʼacier de longueur L, met 75,0 ms (75,0
millisecondes) pour parcourir la longueur du rail.
Calculer la longueur du rail dʼacier.
5.
Mesure de la vitesse du son au laboratoire du lycée
Imaginer une expérience, réalisable au laboratoire du lycée, qui vous permettra de déterminer la vitesse du son dans lʼair.
Faire un schéma du dispositif expérimental.
Réaliser lʼexpérience et noter vos mesures après validation du protocole par le professeur.
–1
Pour la vitesse du son dans lʼair, on peut calculer la vitesse de propagation en m.s avec la relation v air = 331,4 + 0,607 × θ
où θ est la température de lʼair en °C, à condition que -20°C ≤ θ ≤ 40°C .
Relever la température du laboratoire, calculer la vitesse théorique du son puis comparer les valeurs expérimentale et théorique.
6. Comment mesurer une distance avec un écho ?
Lʼécho est du à la réflexion du son sur une paroi. En effet, lorsque le son rencontre un obstacle, une partie du son peut être réfléchie (renvoyée).
Cʼest le cas quand le son rencontre une paroi rocheuse dans la montagne.
Lorsque nous émettons un son devant une paroi, celui-ci se réfléchi et nous revient aux oreilles avec « un retard ». Ce retard correspond à la
durée que le son met à parcourir deux fois la distance D qui nous sépare de la paroi (une fois à lʼaller, une fois au retour).
Une partie du son peut être transmise par la
paroi (il nous arrive dʼentendre un voisin
bruyant derrière un mur).
La paroi peut aussi absorber une partie du son.
D
6.1. Une paroi rocheuse fait écho. Un montagnard lance un appel et lʼentend revenir 3,0 s plus tard. A quelle distance da la paroi la personne se
trouve t-elle ?
Pour se localiser, pour mesurer des distances ou détecter des objets les chauves-souris, les bateaux, les sous-marins, utilisent des ondes
ultrasonores (comme les sons, ce sont des vibrations, mais leurs fréquences sont trop élévées pour être percçues par lʼoreille humaine).
6.2. Pour mesurer la profondeur dʼeau sous la coque, un bateau envoie un signal ultrasonore en direction du fond. Sachant que la profondeur dʼeau
dans le port est p = 20 m, combien de temps après lʼémission du signal lʼécho est-il perçu ?