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1/4 Mme BOILLET Lycée H. MECK, 2005/2006 TP de Physique n° 3 Mesure de la vites

1/4 Mme BOILLET Lycée H. MECK, 2005/2006 TP de Physique n° 3 Mesure de la vitesse de propagation d'une onde ultrasonore Terminale I. Objectifs - Mesurer la longueur d’onde et la célérité d’une onde ultrasonore - Mesurer une distance à l’aide de salves ultrasoniques II. Branchements PRÉLIMINAIRES - L’émetteur délivre des ultrasons de fréquence f. On dispose du matériel suivant : - Un boîtier contenant l’émetteur d’ultrasons (US) ; deux bornes permettent d’alimenter le système (tension continue 15 V). - Un récepteur muni d’un câble de raccord à l’oscilloscope. - Un ruban métallique gradué. 1) Visualisation à l’oscilloscope des US émis par l’émetteur a) Mettre l’interrupteur de l’émetteur en mode « continu » et régler la fréquence sur « + » b) Branchez l’alimentation continue de 15 V aux bornes de l’émetteur (attention à la polarité). (Voir dessin ci- dessous) c) Mettre l’oscilloscope sur la position CH1 (voir dessin ci-dessous) d) Mettre la voie CH1 de l’oscilloscope sur la position DC (voir dessin ci-dessous) e) Brancher l’émetteur sur la voie CH1 de l’oscilloscope : Voir dessin ci-dessous f) Sur l’oscilloscope, faites varier le calibre C pour que la courbe occupe le maximum de place en hauteur, mais sans qu’elle dépasse de l’écran g) Faites varier la base de temps B jusqu'à avoir 1 période ENTIERE en abscisse h) Noter la valeur de la base de temps B (n’oublier pas l’unité) i) Calculer la période T en secondes. Détailler les calculs j) En déduire la fréquence des ultrasons 2) Visualisation des US captés par le récepteur 15V + - Position CH1 et ne plus toucher Position DC ou ( ~ ) Position CH1 (ou YA) a) Mettre l’interrupteur de l’émetteur sur la position « I » b) Brancher le récepteur sur la voie CH2 (ou YB) de l’oscilloscope. c) Mettre l’oscilloscope sur la position ALT (ou DUAL) d) Mettre la voie CH2 (ou YB) de l’oscilloscope sur la position DC (ou ~ ) e) Mettre l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre à une distance d’environ 5 cm. f) Régler le calibre CCH2 de l’oscilloscope correspondant à la voie CH2 (ou YB) pour que la courbe occupe le maximum de place en hauteur, mais sans qu’elle dépasse de l’écran g) Sans faire de calculs, déterminer la fréquence des ondes ultrasonores captées par le récepteur. Justifier votre démarche. 2/4 Mme BOILLET Lycée H. MECK, 2005/2006 III. Directivité des ultrasons Définition : une onde est directive lorsqu’elle se propage dans un cône étroit autour de l’émetteur O E Rapporteur α d R 1) Déplacer le récepteur R à une distance d, fixe sur un arc de cercle autour de l’émetteur, et observer l’amplitude de l’onde sur l’oscilloscope en fonction de l’angle entre l’émetteur et le récepteur (angle noté α). 2) Notez vos observations 3) Pour quelle valeur de α, l’amplitude est- elle maximale ? 4) Est-ce que les US sont directifs ? Justifiez 5) D’après vous, les ondes audibles sont- elles directives ? Justifier IV. Mesure de la longueur d’onde et calcul de la célérité d’une onde ultrasonore 1) Visualisation des US captés par le récepteur a) Placer le premier récepteur(A) à une dizaine de cm de l’émetteur et relier-le à la voie YA (CH1) de l’oscilloscope. Régler la synchronisation sur la voie YA (CH1), Placer maintenant le deuxième récepteur (B) , relié à la voie YB (CH2) à côté du récepteur . Les deux récepteurs seront placés sur la réglette graduée comme le montre le schéma suivant. E RA RB alimentation émetteur récepteurs YA (ou CH1) YB (ou CH2) Règle d’1 m b) Eloigner lentement le récepteur B du récepteur A en veillant à conserver l’axe du récepteur dans celui de l’émetteur Qu’observez-vous à l’oscilloscope ? 2) Mesure de la longueur d’onde des US Faire glisser le récepteur le long du ruban métallique de façon à retrouver des signaux en phase après X longueurs d’onde (voir tableau) : repérer la distance L entre les deux récepteurs. X 10 15 20 25 30 35 40 L (cm) λ = X L (cm) e) Calculer la longueur d’onde moyenne λmoyen 3) Calcul de la célérité de l’onde ultrasonore a) A l’aide de λmoyen, calculer la célérité v de l’onde ultrasonore. b) Comparer à la vitesse des ondes sonores. Calculer l’écart relatif : Δ (%) = us us v v v − .100. Conclusion Données : Vitesse des ondes sonores : Environ v = 340 m.s-1 dans l’air, à température ambiante 3/4 Mme BOILLET Lycée H. MECK, 2005/2006 V. Télémétrie : mesure de distances Le but est de mesurer une distance d à l’aide de salves ultrasoniques se réfléchissant sur une paroi connaissant la célérité v des U.S. 1) Mettre l’interrupteur de l’émetteur en mode COURTES et SALVE. 2) Placer l’émetteur et le récepteur côte à côte. 3) Mettre à une certaine distance d un écran métallique (voir montage 1). 4) Régler la base de temps et les calibres de l’oscilloscope pour avoir des courbes stables et bien centrées. 5) Mesurer à l’oscilloscope la durée Δt de l’aller-retour entre l’émetteur et le récepteur E R Surface réfléchissante d Montage 1 (voir schéma ci-dessous pour calculer Δt) Δt Signal du récepteur Signal de l’émetteur 6) Déterminer la distance dcalculée à laquelle est placé l’obstacle (attention vous avez mesuré la durée d’un aller retour) 7) Mesurer avec le ruban métallique gradué cette distance notée : d mesurée. 8) Calculer l’écart relatif : Δ (%) = calculée mesurée calculée d d d − .100. Conclusion 9) Refaites (si vous avez le temps) l’expérience pour deux autres valeurs de la distance d 4/4 Mme BOILLET Lycée H. MECK, 2005/2006 TP de Physique n° 3 Mesure de la vitesse de propagation d'une onde ultrasonore Terminale MATERIEL PAR GROUPE: • 1 Emetteur US avec son alimentation 15V = • 1 Récepteur US LES NOUVEAUX • 1 Oscilloscope • 1 Réglette graduée avec glissière • 1 rapporteur pour étude de la directivité • 1 écran métallique pour étude de la réflexion uploads/s3/ tp-no03-ultra-son.pdf