Le 29/09/2015 Durée : 2H.

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DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES

TLE S

La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l’orthographe et à l’expression

écrite.

Les compétences transversales C, A, R et E sont utilisées pour évaluation.

EXERCICE 1 : ATTENTION, LA TERRE TREMBLE (1 H 15 min)

Compétences :

Connaître les manifestations des ondes mécaniques dans la matière

Comprendre l’émission et la détection d’une onde mécanique

Etudier le phénomène de propagation d’une onde

Doc.1 : Un séisme fait trembler San Francisco…

Le séisme de 1989 (aussi connu en anglais sous les noms de Quake of '89 et World Series Earthquake) s'est produit le 17 octobre 1989 dans la baie de San Francisco en Californie à 17 h 4 (heure locale). Provoqué par un glissement le long de la faille de San Andreas, le séisme a duré entre dix et quinze secondes et a atteint une magnitude de 6,9 sur l'échelle ouverte de Richter.

Les Californiens s’attendent en permanence à subir le fameux «Big One» qui pourrait dévaster en un instant toute cette région des Etats-Unis.

Une partie effondrée du Bay Bridge, à Oakland, après le tremblement de terre du 17 octobre

1989. © AFP / Gary Weber

http://geopolis.francetvinfo.fr/17-octobre-1989-un-seisme-fait-trembler-san-francisco-24355

Le 17 octobre 1989, à San Francisco, ce n’est pas le tremblement de terre majeur tant redouté par les habitants de cet Etat, mais un séisme terrible qui secoue la ville et ses environs. Le plus fort et le plus meurtrier depuis celui de 1906 qui avait fait près de 3000 morts.

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Doc 2 : Ondes sismiques

Lors d'un séisme, la Terre est mise en mouvement par des ondes de différentes natures, qui occasionnent des secousses plus ou moins violentes et destructrices en surface.

On distingue: les ondes P, les plus rapides, se propageant dans les solides et les liquides à une vitesse vP = 9,0 km.s–1.

Les ondes S, moins rapides, ne se propageant que dans les solides à une vitesse

vS = 5,9 km.s–1.

L'enregistrement de ces ondes par des sismographes à la surface de la Terre permet de déterminer l'épicentre du séisme (lieu de naissance de la perturbation).

Les schémas ci-contre modélisent, respectivement, la progression des ondes sismiques S et P dans une couche terrestre.

Les ondes sismiques qui génèrent les oscillations du sol peuvent avoir des polarisations, c'est-à-dire des directions de vibrations diverses qu'on peut décomposer suivant 3 directions. Pour mesurer complètement les mouvements du sol, une station sismologique doit contenir trois sismomètres, un vertical et deux horizontaux afin d'obtenir une bonne restitution des vibrations du sol.

Doc 3 : Echelle de Richter

L’échelle de Richter classe les séismes par une grandeur sans unité, la magnitude notée M, liée à l’amplitude par la fonction logarithme :

maxmax

00

magnitude sans simension

en m, amplitude maximale mesurée sur le sismogramme log

constante dépendant de la distance du sismomètre à l'épicentre du séisme,

du sismomètre utilisé e

M

yyM

yy

t de l'emplacement de la station sismique

Formule mathématique du logarithme décimal : log 10YY X X .

Doc 4 : Sismogramme enregistré au Etats-Unis le 17 octobre 1989

Le séisme s'est produit au Etats-Unis le 17 octobre 1989 à l'heure noté t0.

Le document ci-dessous présente le sismogramme obtenu, lors de ce séisme à la station EUREKA (station sismique située au nord de la Californie).

Le sismogramme présente deux trains d'ondes, 1 et 2.

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Questions Compétences C A R E

1) Quelle est la nature des ondes sismiques S et P ? Justifier votre réponse en explicitant les termes : onde, mécanique, progressive, transversale et longitudinale.

* * * *

2) Quelles sont les propriétés identiques et propres aux ondes sismiques et aux ondes électromagnétiques ?

* *

3) A quel type d'onde (S ou P) correspond chaque train? Justifier votre réponse. * *

4) Relever sur ce document les dates d'arrivée des ondes S et P à la station d'enregistrement notées respectivement tS et tP.

* *

5) Soit d la distance séparant la station d'enregistrement à l'épicentre. Soit t0 la date inconnue du séisme. Exprimer le retard tS – t0 mis par les ondes S pour arriver à la station d’enregistrement, en fonction de vS la célérité des ondes S et de la distance d. Faire de même pour les ondes P, exprimer le retard tP – t0.

* *

6) On note Δt = tS – tP. Montrer que 1 1

S P

t dv v

. * *

7) Exprimer la distance d et en déduire sa valeur numérique en utilisant l’écriture scientifique et en tenant compte des chiffres significatifs.

* * * *

Le séisme a aussi été détecté dans une autre station : la station Elko. A l'aide d'un enregistrement, les scientifiques ont pu déterminer la distance séparant l'épicentre de la station Elko. Ils en ont déduit une distance d'environ 650 km.

8) A l'aide des informations enregistrées dans les deux stations et de la carte document 1 en annexe à rendre, déterminer, en justifiant, quelle est la ville la plus proche de l'épicentre ?

* * * *

9) Combien faut-il au minimum de stations d’enregistrement pour localiser l’épicentre (ou l’hypocentre) du séisme ? Justifier (aidez-vous d’un schéma).

* *

10) Expliquer le terme « ouverte » fréquemment employé pour qualifier l’échelle de Richter.

*

La magnitude sur l’échelle de Richter du séisme qui a touché le Japon en mars 2011 a été évaluée à 9,0.

11) Comparer le rapport des amplitudes maximales entre le séisme d’Etats-Unis et celui du Japon.

* *

EXERCICE 2 : Ondes à la surface de l’eau (45 min)

Compétences :

Définir, pour une onde progressive sinusoïdale, la période, la fréquence et la longueur d’onde

Connaitre et exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d’onde et la célérité

Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la période, la fréquence, la longueur d’onde et la célérité d’une onde progressive sinusoïdale

Deux élèves ingénieux de Terminale S, Albert E. et Sigmund F. désirent évaluer la valeur de la vitesse des ondes à la surface de l’eau. Pour cela ils réalisent une expérience à l’aide d’une cuve à onde.

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Doc 1. : Présentation de la cuve à onde

Doc 2. : Dispositif de l’expérience

Le dispositif expérimental est constitué :

d’une cuve à ondes munie d’un vibreur de fréquence f formant des ondes planes qui se propagent à la surface d’une cuve à eau.

d’un dispositif utilisant un capteur de lumière sur la tige du vibreur mécanique. Ce dispositif permet d’obtenir sur un oscilloscope la mesure directe de la fréquence associé au vibreur mécanique.

Doc 3. : Résultats de l’expérience

Ils obtiennent les résultats suivants :

Photographie de la cuve à onde : Enregistrement de l’oscilloscope

Base de temps réglée sur 20 ms/Div

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Doc 4. : Mesures et incertitudes

L’incertitude U X d’une mesure X par lecture sur une échelle, pour un niveau de confiance de 95%

est estimée à : 2

12

graduationsU X .

L’incertitude pour un cas d’incertitudes composées est donnée par la formule suivante :

Pour Y X Z ou X

YZ

alors

2 2

U X U ZU Y Y

X Z.

Le résultat est donc Y U Y ou Y U Y Y Y U Y .

Votre problème scientifique :

Vous devez aider vos jeunes camarades à évaluer la valeur de la vitesse v de propagation de ces ondes à la surface de l’eau.

Elaborer une stratégie rigoureuse et précise pour calculer cette vitesse et l’écrire sous la forme

v U v m/s.

Compétences transversales Compétences C A R E

S’approprier Utilisation correcte et non erronée des documents fournis Utilisation de la terminologie juste

* * * *

Analyser La démarche répondant la problématique est juste

* * * *

Réaliser Les calculs sont réalisés sans erreurs

* * * *

Valider L’écriture du résultat est conforme

* * * *

Communiquer Le langage scientifique est correct et l’orthographe respecté

* * * *

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ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE

NOM :

Document 1 : Carte de San Francisco et ses environs Des cercles concentriques ont été trace autour de la station Elko.