Chloé LAURE - 2020

LP 1 : Ondes mécaniques (2ndaire)

Elément imposé : Ondes à la surface de l’eau

Introduction pédagogique :

1ère générale

En Première générale, on traite uniquement les ondes mécaniques via l’étude du son.

• On se place niveau Terminale de spécialité

En terminale, 2 phénomènes caractéristiques des ondes sont étudiés : la diffraction et les interférences. Pour la diffraction, il faut connaître les conditions d’observation d’un phénomène de diffraction, ainsi que la relation liant l’angle caractéristique de diffraction à la longueur d’onde. Pour les interférences entre deux ondes, il faut connaître les conditions d’observation de ce phénomène, ainsi que les conditions pour les interférences constructives et destructives.

La leçon portera donc sur la diffraction et les interférences. L’élément imposé étant les ondes à la surface de l’eau, nous tenterons d’observer et d’expliquer ces phénomènes à travers l’emploi de la cuve à ondes.

Prérequis : niveau 1ère de spécialité

En première de spécialité, les élèves ont étudié les ondes mécaniques sinusoïdales. Ils doivent déjà connaître les notions de longueur d’onde, de période, et de double périodicité.

PLAN

I – Introduction 1) Rappel sur les ondes mécaniques 2) La cuve à ondes

II – La diffraction 1) Conditions de diffraction 2) Relation entre l’angle caractéristique de diffraction et la largeur de la fente

III – Les interférences 1) Superposition de 2 ondes 2) Conditions d’interférences constructives ou destructives

IV – Conclusion

I- Introduction 1) Rappel sur les ondes mécaniques

Une onde mécanique est une onde qui se propage de roche en proche dans la matière. Elle ne peut pas se propager dans le vide, contrairement aux ondes électromagnétiques. Il existe différents types d’ondes mécaniques, tels que les ondes à la surface de l’eau, la propagation le long d’une corde, les ondes sismiques, le son…

Rq : les rappels sont trop succincts. Il aurait aussi fallu redéfinir les ondes transversales et longitudinales Onde transversale : le sens de propagation de l’onde est perpendiculaire à la déformation Onde longitudinale : le sens de propagation de l’onde est parallèle à la déformation

2) La cuve à ondes

Dans une cuve à ondes, on induit une perturbation à la surface de l’eau à l’aide d’un excitateur qui souffle de l’air, à une fréquence donnée. A l’aide d’un miroir, l’image à la surface de l’eau est visible et grossie sur l’écran dépoli.

La lampe stroboscopique permet de « figer » l’image sur l’écran dépoli pour l’observateur. En effet, en imposant une fréquence de la lampe égale à celle de l’onde propagée, on observe une image fixe sur laquelle on peut travailler.

Rq :

• Il aurait fallu faire des expériences sans lampe stroboscopique pour mieux observer la propagation de l’onde.

• L’image observée présente des franges sombres et des franges claires. Il aurait fallu expliquer à quoi elles correspondent.

Les hauts de vagues agissent comme des lentilles convergentes, créant des zones claires sur l’écran. Les creux de vagues agissent comme des lentilles divergentes, créant des zones sombres sur l’écran.

a) Calcul de l’agrandissement

On place un objet de dimension connue L1 à la surface de la cuve, puis on mesure son image sur l’écran dépoli L2. On en déduit γ = L2/L1

b) Mesure de la longueur d’onde et calcul de la célérité

Expérience :

• On place un excitateur linéaire à la surface de la cuve. On observe une propagation des franges sombres et claires.

• On fait varier la fréquence du stroboscope jusqu’à stabilisation de l’image. Puis on lit la fréquence imposée. Elle correspond donc également à la fréquence d’excitation, donc à la fréquence de l’onde observée.

• A la règle, on mesure 5 λ sur l’écran dépoli. On ne mesure pas que 1 λ afin d’avoir une mesure plus précise. On en déduit λréel en tenant compte de l’agrandissement.

• On connaît la longueur d’onde ainsi que la fréquence, on peut donc en déduire la célérité de l’onde grâce à la formule :

c = λ*f

II – La diffraction

1) Condition de diffraction

Expérience :

• On utilise toujours l’excitateur linéaire à la surface de l’eau. • On place 2 plaques éloignées l’une de l’autre à la surface de l’eau • On les rapproche progressivement, en observant bien l’image obtenue • On observe un phénomène de diffraction lorsque les plaques sont assez rapprochées, donc

lorsque la largeur de la fente est assez faible.

• On en déduit qu’il existe une taille d’obstacle critique à partir de laquelle le phénomène de diffraction peut être observé.

Cours :

La diffraction correspond à la modification de la direction de propagation d’une onde progressive périodique lorsque celle-ci rencontre un obstacle ou une ouverture de dimension comparable ou inférieure à sa longueur d‘onde.

2) Relation entre l’angle caractéristique de diffraction de la largeur de fente

Expérience :

J’aurais aimé calculer l’angle de diffraction à l’aide de la cuve à ondes, mais l’image n’était pas assez nette. (eau impure qui crée de la diffraction même sans obstacles…)

Expérience sur le son

• On place un émetteur (dont la fréquence est connue grâce à un GBF) et un récepteur, éloignés d’environ 80 cm.

• On regarde le signal reçu par le récepteur grâce à un oscilloscope. • On place 2 plaques entre l’émetteur et le récepteur, séparée de a = largeur de la fente

• On déplace le récepteur le long de la perpendiculaire, jusqu’à obtention d’un minimum d’amplitude.

• On mesure la distance parcourue par le récepteur. • On en déduit θ. • On fait varier a et on mesure θ pour chaque valeur de a.

tan θ = L/D

• On remarque que θ augmente quand a diminue

• On trace θ = f (1/a). On doit obtenir une droite qui passe par l’origine, de coefficient directeur λ

Les résultats de l’expérience ne sont pas très concluants. Mais le matériel à disposition était très imprécis.

Cours :

Le phénomène de diffraction ne modifie ni la longueur d’onde ni la fréquence de l’onde. Il est caractérisé par un écart angulaire noté θ et appelé angle caractéristique de diffraction.

III – Les interférences

1) Superposition de 2 ondes

Expérience :

• A la surface de la cuve à ondes, on place 2 sources ponctuelles issues de la même source d’excitation, qui ont donc la même fréquence.

• On observe l’image obtenue phénomène d’interférence lorsque les 2 trains d’onde se rencontrent.

Cours :

Des interférences s’obtiennent avec des ondes synchrones (de même fréquences) et cohérentes (à déphasage constant). Lorsque les ondes se rencontrent, les intensités de ces dernières s’additionnent. Selon le déphasage entre les 2 trains d’onde, on peut observer des interférences constructives ou destructives.

? Peut-on trouver des conditions à l’obtention d’interférences constructives ou destructives

2) Conditions d’interférences constructives ou destructives

L’image obtenue sur la cuve à ondes étant imprécise, on travaille sur l’image suivante :

On calcule la différence de marche δ = d1-d2 pour les points violets et jaunes. Les points violets correspondent à des interférences destructives, et les points jaunes à des interférences constructives.

On remarque pour les points violets δ = (k+1/2)*λ et pour les points jaunes δ = k*λ

Rq : mauvais choix de points car on trouve exactement δ = (1/2)*λ et δ = k*λ

Cours :

IV – Conclusion

Ouverture sur les ondes électromagnétiques et l’observation des phénomènes de diffraction et d’interférences pour la lumière.

Remarques et questions :

1) Faire attention aux chiffres significatifs lors des calculs 2) Quelle exemple pour les ondes longitudinales ? Le ressort 3) Que dire des ondes sismiques ? 2 types d’ondes P et S, de chemin différents, donc qui n’arrivent

pas au même instant en un point. En mesurant le décalage entre ce 2 ondes, on peut déterminer où se trouve l’épicentre.

4) Comment intégrer une sortie pédagogique ? Aller à un musée de sismologie, créer un projet avec le/la collègue de SVT.

5) Comment définir 2 sources cohérentes? Déphasage constant 6) Comment obtenir 2 sources cohérentes avec la lumière ? Utilisation des fentes d’Young qui

créent 2 sources secondaires à partir d’une source primaire. 7) Attention aux calculs trop longs au tableau pour ne pas perdre l’attention de la classe 8) A quoi doivent faire attention les ingénieurs du son dans une salle de spectacle ? Le son rebondit

sur les parois et peut créer des phénomènes d’interférence selon la géométrie de la salle. 9) Tâche d’Airy : dans un télescope ? La lentille de l’objectif joue le rôle d’objet diffractant et

impose donc la résolution de l’appareil. 10) Plan OK !