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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL

DEVOIR SURVEILLE N°1 ______

PHYSIQUE-CHIMIE

Série S ____

DURÉE DE L’ÉPREUVE : 1h00 ______

L’usage d'une calculatrice EST autorisé

Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier mill imétré

Les annexes SONT À RENDRE AVEC LA COPIE, même si el le n’a pas été complétée. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres.

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EXERCICE 1 CASQUE AUDIO A REDUCTION DE BRUIT ( 6 points)

Une enquête réalisée en 2010 a révélé que les jeunes de 12 à 25 ans passent en moyenne 1h38 par jour à écouter leur baladeur numérique. Dans les transports en commun notamment, nombreux sont ceux qui s’isolent de l’environnement sonore extérieur en écoutant de la musique. Les casques audio offrent tous une réduction dite « passive » des bruits ambiants en isolant le système auditif par la seule application des oreillettes. Mais il existe aujourd’hui des casques audio qui présentent, en plus de la réduction passive, un dispositif dit « actif » qui tend à supprimer les bruits résiduels à l’intérieur des oreillettes. L’exercice traite de ces dispositifs.

Document 1. Extrait de la notice d’un casque audio à réduction de bruit

La technologie consiste à placer un micro miniature, dans chaque oreillette, destiné à capter le bruit ambiant (trafic, installations de ventilation, climatiseur, etc.) et à le supprimer par un signal anti-bruit adapté.

Caractéristiques techniques *

Un interrupteur disposé sur l’oreillette gauche permet d’allumer ou d’éteindre le dispositif actif.

1. Caractéristiques du casque et oreille humaine La « réponse en fréquence » du casque est-elle adaptée à l’audition humaine

2. Efficacité du dispositif de réduction de bruit Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place.

Une enceinte acoustique émet un signal sonore de fréquence f et d’intensité I toutes deux réglables.

Le capteur d’un premier sonomètre est placé entre les deux oreillettes du casque. Les oreillettes sont en outre maintenues plaquées l’une contre l’autre de manière à enfermer le mieux possible le capteur. Ce sonomètre mesure ainsi le niveau d’intensité sonore L entre les oreillettes. Casque et sonomètre sont placés face à l’enceinte.

Un deuxième sonomètre mesure le niveau d’intensité sonore à proximité immédiate du casque.

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Les niveaux d’intensité sonore mesurés en fonction de la fréquence sont représentés ci-dessous :

- niveau d’intensité sonore ambiant à proximité immédiate du casque (cas n°1) ; - niveau d’intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif est éteint et

que les oreillettes interviennent seules (cas n°2) ; - niveau d’intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif fonctionne (cas

n°3).

2.1. Identifier approximativement les domaines de fréquence pour lesquels :

- seules les oreillettes sont efficaces pour la réduction du bruit ambiant ; - seul le dispositif actif est efficace pour la réduction du bruit ambiant ; - les deux dispositifs participent ensemble à la réduction du bruit ambiant.

2.2. Concernant la réduction de bruit, les mesures ayant permis la construction graphique ci-dessus sont- elles conformes à la performance annoncée dans l’extrait de la notice présenté dans le document 1 ? Justifier.

Le casque à réduction de bruit est ensuite testé dans deux environnements sonores différents : à l’intérieur d’un train Corail et dans une pièce où deux personnes discutent. Les deux environnements sonores ont par ailleurs été enregistrés et les documents 2 et 3 présentent les spectres associés. Ces sons n’étant pas périodiques mais particulièrement complexes, leurs spectres ne sont pas des spectres de raies comme celui d’une note jouée par un instrument de musique mais des spectres continus. L’amplitude relative en ordonnée montre la contribution de chaque fréquence émise au niveau d’intensité sonore global.

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Document 2. Spectre de l’environnement sonore dans un train Corail

0

Document 3. Spectre de l’environnement sonore créé par une discussion dans une pièce

0

2.3. Exploiter l’ensemble des trois graphes afin de prévoir dans lequel des deux environnements sonores le dispositif actif est susceptible d’intervenir le plus efficacement. Justifier.

3. Simulation du dispositif actif A B D’après la notice, la réduction active du bruit consiste à émettre un signal dit « anti-bruit ». Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place.

Le bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdale de fréquence fB = 132 Hz émise par l’enceinte acoustique B.

Le signal anti-bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdale de fréquence fA émise par une deuxième enceinte acoustique A accolée à la première.

Un logiciel contrôle la fréquence et l’intensité de chaque signal ainsi que le déphasage entre les signaux.

À une distance de deux mètres face aux enceintes, le niveau d’intensité sonore du son émis par chaque enceinte, seule, est systématiquement ajusté à LA = LB = 50 dB.

Ce dispositif permet ainsi de mesurer l’influence de la fréquence de chaque signal et du déphasage entre les signaux sur le niveau d’intensité sonore L face aux deux enceintes à une distance de deux mètres.

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Les résultats de trois expériences sont regroupés dans le document 4 ci-après.

Document 4. Résultats des expériences

Expérience 1 2 3

Fréquence fB (Hz) 132 132 132

Fréquence fA (Hz) 198 132 132 Déphasage à l’émission des

signaux produits par les enceintes A et B

en phase

en opposition de phase

L (dB) 53±1 56±1 44±1

Remarque : Les incertitudes affichées dans ce document sont associées à des niveaux de confiance de 95%.

3.1. Les intervalles de confiance associés aux mesures des niveaux d’intensité sonores lors des expériences 1, 2 et 3 permettent-ils de conclure que les valeurs mesurées sont significativement différentes ? Justifier.

3.2. On note I l’intensité sonore associée au niveau d’intensité sonore L. Pour quelle expérience l’intensité I du son est-elle la somme des intensités des sons issus de chaque enceinte prise séparément ? On justifiera la réponse par un calcul.

3.3. Comme les ondes électromagnétiques, les ondes sonores peuvent donner lieu aux phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction, interférences, etc.

3.3.1. Par comparaison avec les propriétés des ondes électromagnétiques monochromatiques, indiquer

quel phénomène physique est responsable de la variation du niveau d’intensité sonore observée d’une expérience à l’autre dans le document 4. On apportera les précisions nécessaires permettant de justifier l’évolution du niveau d’intensité sonore.

3.3.2. Quelle expérience modélise le dispositif actif de réduction de bruit ? Justifier votre réponse.

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Bac S 2014 Pondichéry Exercice I : Satellites de t élédétection passive (10 points)

http://labolycee.org La télédétection par satellite est l’ensemble des techniques qui permettent d’obtenir de l’information sur la surface de la Terre, l’atmosphère et les océans à des fins météorologique, océanographique, climatique, géographique, cartographique ou militaire. Le processus de la télédétection repose sur le recueil, l’enregistrement et l’analyse d’ondes électromagnétiques diffusées par la zone observée. Si les ondes électromagnétiques mises en jeu dans le processus sont émises par un capteur (exemple : un radar) puis recueillies par ce même capteur après interaction avec la zone terrestre observée, on parle de télédétection active . Si le capteur (exemple : un radiomètre) recueille directement la lumière visible ou infrarouge émise ou diffusée par la zone terrestre observée, on qualifie les ondes analysées d’ondes électromagnétiques naturelles et on parle de télédétection passive .

Principe de la télédétection active Principe de la télédétection passive Cet exercice s’intéresse à deux familles de satellites de télédétection passive : SPOT (document 1) et Météosat (document 2). Il comporte trois parties indépendantes. Des réponses argumentées et précises sont attendues ; elles pourront être illustrées par des schémas. La qualité de la rédaction, la rigueur des calculs ainsi que toute initiative prise pour résoudre les questions posées seront valorisées. Données • Rayon moyen de la Terre : RT = 6,38 × 103 km. • Longueur d d’un arc de cercle de rayon R et d’angle α (exprimé en radian) : d = α.R. • Courbe de transmission des radiations électromagnétiques par l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur

d’onde λ :

onde émise par le satellite

onde captée après interaction avec la zone observée

ondes électromagnétiques naturelles

lumière solaire

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• Loi de Wien : λmax . T = 2,90 ×103 µm.K avec λmax la longueur d’onde majoritairement émise dans le spectre d’émission d’un corps porté à une température T (exprimée en kelvin).

• Relation entre la température T (exprimée en kelvin) et la température θ exprimée en degré Celsius : T = θ + 273 Document 1. La filière SPOT SPOT (Satellite Pour l’Observation de la Terre) est un système d’imagerie optique spatiale à haute résolution. Ce programme s’insère dans la politique d’observation de la Terre du CNES (Centre National d’Études spatiales). Depuis 1986, les satellites de la filière SPOT scrutent notre planète et fournissent des images d’une qualité remarquable, en décrivant une orbite dont les caractéristiques sont les suivantes : - Elle est circulaire et se situe à l’altitude hS = 832 km. - Elle est héliosynchrone, c'est-à-dire que l’angle entre le plan de l’orbite et la direction du Soleil est quasi-constant. Cela permet de réaliser des prises de vue à une altitude donnée avec un éclairement constant. - Elle est quasi-polaire, inclinée de 98,7° par rapport au plan de l’équateur et décrite avec une période de 101,4 min. La zone terrestre observée évolue à chaque révolution du satellite dont le cycle orbital est de 26 jours ; c'est-à-dire que tous les 26 jours le satellite observe à nouveau la même région terrestre.

D’après le site cnes.fr

Document 2. Le programme Météosat En Europe, l’ESA (Agence Spatiale Européenne) a développé le programme Météosat dont le premier satellite a été lancé en 1977. Depuis cette date, sept satellites Météosat ont été lancés. Puis des satellites aux performances accrues (Meteosat Second Generation) leur ont succédé : MSG-1 (ou Météosat-8) lancé en août 2002, puis MSG-02 (ou Météosat-9) lancé en décembre 2005. Les satellites Météosat et MSG sont géostationnaires*. Ils ont pour mission d’effectuer des observations météorologiques depuis l’espace pour la prévision immédiate et l’évolution à long terme du climat. Ils ont l’avantage de fournir des images de vastes portions de la surface terrestre et de l’atmosphère, mais présentent l’inconvénient qu’un seul satellite géostationnaire ne suffit pas pour observer toute la Terre. Par ailleurs, les régions polaires leur sont hors de portée. * Un satellite géostationnaire paraît immobile par rapport à un point de référence à la surface de la Terre. Pour respecter cette propriété, il se situe forcément dans le plan de l’équateur, son orbite est circulaire et son centre est le centre de la Terre. Sa période de révolution est donc égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même.

D’après le site education.meteofrance.com

Orbite quasi-polaire

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1. Mouvements des satellites SPOT et Météosat Les mouvements sont étudiés dans le référentiel lié au centre de la Terre, appelé référentiel géocentrique. Ce référentiel est supposé galiléen.

1.1. Énoncer la deuxième loi de Kepler (aussi nommée loi des aires) dans le cas général d’un satellite terrestre en mouvement elliptique. Illustrer cette loi par un schéma.

1.2. En utilisant la deuxième loi de Kepler, caractériser la nature des mouvements dans le cas particulier des

satellites SPOT et Météosat. 1.3. Dans quel sens le satellite Météosat tourne-t-il autour de la Terre, par rapport au référentiel géocentrique ?

On s’appuiera sur un dessin sur lequel figurera la Terre avec une indication explicite sur son sens de rotation.

1.4. Déterminer la valeur de la vitesse v du satellite SPOT par rapport au référentiel géocentrique. 1.5. Énoncer la troisième loi de Kepler dans le cas général d’un satellite terrestre en mouvement elliptique. On

précisera la signification de chaque grandeur introduite. 1.6. En appliquant cette loi aux deux satellites étudiés, déduire la valeur de l’altitude hM du satellite Météosat. 2. SPOT en mode panchromatique Lorsque le satellite SPOT parcourt son orbite, il observe une large bande terrestre de plusieurs dizaines de kilomètres de large. Cette zone « couverte » est appelée la fauchée.

En mode panchromatique, les images réalisées par le satellite SPOT sont recueillies sur une barrette constituée de 6000 détecteurs CCD et numérisées en niveaux de gris.

Chaque détecteur est assimilable à un carré de 13 µm de côté recueillant l’information provenant d’une zone terrestre carrée de 10 m de côté, appelée pixel. On dit que la résolution spatiale est de 10m. 2.1. Évaluer la largeur de la fauchée.

2.2. La fauchée correspondant à la nème révolution de SPOT n’est pas identique à celle de la (n–1)ème révolution. Se situe-t-elle davantage à l’est ou à l’ouest sur la Terre ?

Illustrer votre réponse par un schéma.

2.3. À chaque révolution du satellite, la zone terrestre observée n’est pas la même, du fait de la rotation de la Terre. De quel angle tourne la Terre entre deux révolutions du satellite ? En déduire de quelle distance se déplace la fauchée au niveau de l’Équateur entre deux révolutions du satellite.

2.4. Quelles sont les parties du globe les plus fréquemment « couvertes » par SPOT au cours d’un cycle orbital ?

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2.5. Combien de révolutions doit effectuer SPOT pour réaliser une observation complète de la Terre ? Commenter cette valeur au regard de la question 2.3.

2.6. En mode panchromatique (numérisation en niveaux de gris), l’image est d’autant plus blanche que le flux lumineux capté est intense.

Deux images (images 1 et 2) d’une même zone de terrains agricoles, ont été obtenues par télédétection,

respectivement dans le rouge (entre 610 nm et 680 nm de longueur d’onde) et dans le proche infrarouge (entre 790 et 890 nm).

Image 1 Image 2 Télédétection dans le rouge Télédétection dans le proche infrarouge

Source : IGN France international En utilisant le tableau suivant, donnant les réflectances* caractéristiques des trois grands types de surfaces

naturelles, quelles informations peut-on extraire de l’analyse de ces deux images ? Montrer l’intérêt d’avoir ces deux images pour obtenir des informations sur la zone observée.

Valeurs caractéristiques des réflectances des trois grands types de surfaces naturelles en fonction de la

gamme de longueur d’onde :

Rouge (entre 610 et 680 nm)

Proche infrarouge (entre 790 et 890 nm)

Eau 4 à 6 % 0 à 2 %

Végétation 10 à 12 % 35 à 40 %

Sol nu 20 à 22 % 25 à 30 %

* La réflectance d’une surface est le rapport entre le flux lumineux réfléchi et le flux lumineux incident.

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3. Les trois canaux de Météosat Le radiomètre** des satellites Météosat comprend trois canaux de télédétection : le canal C dans le visible et le proche infrarouge, le canal E dans l’infrarouge moyen et le canal D dans l’infrarouge thermique. ** Un radiomètre est un appareil de mesure de l’intensité du flux de rayonnement électromagnétique dans différents domaines de longueur d’onde.

Canal Gamme de longueurs

d’onde en µm Fonction principale

C Entre 0,4 et 1,1 Permet l’observation visuelle de la surface de la Terre et des nuages.

E Entre 5,7 et 7,1 Renseigne sur la teneur en humidité de l’atmosphère. La surface du sol n’est pas visible.

D Entre 10,5 et 12,5 Renseigne sur la température des nuages et de la surface terrestre. 3.1. Pourquoi seule la télédétection sur les canaux C et D permet-elle d’obtenir des informations en provenance

de la surface terrestre ? 3.2. Quelles sont les raisons qui ont guidé le choix de la gamme de longueurs d’onde du canal D, compte tenu de sa fonction principale ? Des éléments quantitatifs sont attendus dans la réponse.

Exercice 2 ONDES A LA SURFACE DE L’EAU

Exercice 3 ONDES ULTRASONORES

CORRECTION DS1 CH01 ET CH02 SCIENCES PHYSIQUES TERMINALE S

Exercice 2 ONDES A LA SURFACE DE L’EAU (4 POINTS)

Bac S 2014 Pondichéry Exercice I : Satellites de t élédétection passive (10 points)

Correction © http://labolycee.org 1. Mouvements des satellites SPOT et Météosat

1.1. (0,5) La deuxième loi de Kepler (aussi nommée loi des aires) indique que le rayon vecteur TSuuur

, reliant le centre de la Terre au satellite, balaye des aires égales pendant des durées égales.

Les aires grisées A1, A2, A3 et A4 sont égales. 1.2. (0,5) La deuxième loi de Kepler indique que pour une durée donnée, les aires balayées par le rayon vecteur sont égales.

Trajectoire elliptique du satellite

satellite

Terre S

T

A1

A2 A3

A4

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Les satellites SPOT et Météosat ont une orbite circulaire, donc le rayon de leur trajectoire est constant. Cela implique que les longueurs d’arcs balayés pendant cette durée sont égales. Ainsi la vitesse des satellites est constante. Les satellites ont un mouvement circulaire et uniforme . Ex : Pendant une durée Δt = ¼ T où T représente la période de révolution du satellite, le satellite parcourt la distance

d = .R2π

(*).

v = dt∆

= .R

2T4

π

= . .R 4 2 R2T T

ππ= = Cte

(*)Donnée du sujet :Longueur d d’un arc de cercle de rayon R et d’angle α (exprimé en radian) : d = α.R.) 1.3. (0,5) Météosat est un satellite géostationnaire, il tourne autour de la Terre avec le même sens de rotation

que celui de la Terre sur elle-même. Ainsi il paraît immobile par rapport à un point de référence à la surface de la Terre.

R

Sens de rotation de la Terre

Sens de rotation du satellite par rapport au référentiel géocentrique

Axe de rotation de la Terre

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1.4. (0,5) SPOT possède une orbite circulaire décrite en une période de TS = 101,4 min et il est situé à l’altitude hS = 832 km.

Le rayon de sa trajectoire est R = RT + hS

v = ( )T S

S S

2 R hd 2 Rt T T

ππ += =∆

v = ( , )

,

32 6 38 10 832101 4 60

π × × +×

= 7,45 km.s -1

1.5. (0,5) Troisième loi de Kepler dans le cas général d’un satellite terrestre en mouvement elliptique : « Le rapport du carré de la période de révolution T du satellite autour de la Terre au cube du demi-grand axe de

l’ellipse est constant. » 2

3

TCte

a= .

T période de révolution du satellite autour de la Terre, en s a demi-grand axe de l’ellipse, en m.

Remarque : L’expression de la constante (Cte = .

2

T

4GM

π) n’est pas demandée.

1.6. (1,5) Le satellites étudiés ont des orbites circulaires, ainsi le demi-grand axe a est égal au rayon de la trajectoire R + h.

TM période de Météosat, hM altitude de Météosat TS période de SPOT, hS altitude de SPOT

( ) ( )

22SM

3 3T M T S

TTR h R h

=+ +

(RT + hM)3 = ( ) .3 2

T S M2S

R h TT

+

RT + hM = ( ) .3 2

T S M32S

R h TT

+

hM = ( ) .3 2

T S M32S

R h TT

+ – RT

hM = ( , ) .( )

,

3 3 2

32

6 38 10 832 24 60101 4

× + × – 6,38×103 = 3,59×104 km

TM et TS doivent être exprimées dans la même unité, par exemple en min. Météosat étant géostationnaire sa période de révolution est égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même, considérée égale à 24 h (en réalité 23h56 min).

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2. SPOT en mode panchromatique 2.1. (0,5) Chaque pixel d’une largeur de 10 m correspond à un seul détecteur.

Il y a 6000 détecteurs, donc proportionnellement la fauchée a une largeur de 6000 ×10 = 6,0×104 m = 60 km (= plusieurs dizaines de kilomètres).

2.2. (0,5) Le document 1 indique le sens de rotation de la Terre.

L’orbite est héliosynchrone, c'est-à-dire que l’angle entre le plan de l’orbite et la direction du Soleil est quasi-constant. Le déplacement de la fauchée est la conséquence de la rotation propre de la Terre. La fauchée correspondant à la nème révolution de SPOT se situe davantage à l’ouest de la Terre. 2.3. (1) SPOT effectue une révolution en 101,4 min. La Terre tourne de 360° en 24×60 min Elle tourne de α° en 101,4 min

Ainsi α = ,360 101 4

24 60××

= 25,35°, soit avec deux chiffres significatifs α = 25°

Lorsque la Terre fait un tour complet soit une rotation de 360°, la fauchée se déplace de 2πRT. Lorsque la Terre tourne de 25,35°, la fauché se déplace seulement de d.

d = , ,32 6 38 10 25 35

360π × × ×

= 2,82×103 km

2.4. (0,5) SPOT repasse toutes les 101,4/2 minutes aux pôles. Ce sont les parties du globe les plus fréquemment « couvertes » par SPOT au cours d’un cycle orbital. 2.5. (1) D’après le document 1 « tous les 26 jours le satellite observe à nouveau la même région terrestre ». En T = 101,4 min SPOT effectue une révolution En Δt = 26 jours = 26 × 24 × 60 min SPOT effectue N révolutions

N = t

T∆

N = ,

26 24 60101 4× ×

= 3,7 × 102 révolutions .

La question 2.3. indique que la fauchée s’est déplacée de 2,82×103 km à l’équateur en une révolution. Mais une fauchée ne fait que 60 km de large, et à chaque révolution du satellite, la zone terrestre observée n’est pas la même ce qui explique que plusieurs centaines de révolution soient nécessaires pour balayer la surface entière de la Terre.

fauchée de la( n-1)ème révolution

Sens de rotation de la Terre

Axe de rotation de la Terre

fauchée de la nème révolution

Zone à balayer Zone déjà balayée

N

S

O

E

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2.6. (1) La végétation réfléchit bien mieux le proche IR que le rouge. Elle doit paraître plus claire en proche IR (image 2) qu’en rouge (image1). Toutes les zones claires sur l’image 2 mais sombres sur l’image 1 sont dues à de la végétation.

D’autre part, l’eau possède dans tous les cas une réflectance faible, les zones qui apparaissent sombre sur les deux images doivent correspondre à de l’eau.

Pour finir, la réflectance des sols nus est presque identique dans les deux gammes de longueur d’onde, les zones qui ont environ la même luminosité doivent correspondre à du sol nu.

Avec une seule image, il n’aurait pas été possible de repérer les différentes zones avec certitude. PS : Sur la partie inférieure gauche de l’image 1, on voit une large zone claire qui correspond à un flux intense. Sur cette même partie de l’image 2, cette zone paraît sombre, elle correspond alors à un flux plus faible. Seule l’eau possède une réflectance supérieure dans le rouge par rapport au proche infrarouge. Cette zone serait de l’eau. 3. Les trois canaux de Météosat 3.1. (0,5) La courbe de transmission des radiations électromagnétiques par l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde λ montre que la gamme de longueurs d’onde du canal E (entre 5,7 et 7,1 µm) n’est pas transmise par l’atmosphère. Les ondes captées par le radiomètre sur ce canal ne peuvent pas provenir de la surface de la Terre. Pour les canaux C et D, les gammes de longueurs d’onde sont bien transmises du sol à travers l’atmosphère jusqu’au satellite. 3.2. (1) Le canal D a pour fonction de nous renseigner sur la température des nuages et de la surface terrestre. Comme vu précédemment la gamme de longueurs d’onde de ce canal permet la transmission depuis le sol vers le satellite à travers l’atmosphère. D’autre part la gamme de longueurs d’onde choisie doit être en accord avec ces températures. En utilisant la loi de Wien, on peut calculer la gamme de température qui correspond à la gamme de longueurs d’onde du canal D.

T = max

, 32 90 10λ

× avec 2,90×103 en µm.K

Pour λmax = 10,5 µm, alors T1 = ,

,

32 90 1010 5

× = 276 K = 3°C

Pour λmax = 12,5 µm, alors T2 = ,

,

32 90 1012 5

× = 232 K = – 41°C

Le satellite peut détecter des corps dont la température varie entre – 41°C et 3°C. Cette gamme de température paraît plutôt faible par rapport aux températures du sol terrestre, mais elle est bien adaptée aux nuages.

Exercice 3 ONDES ULTRASONORES

Canal C

Canal E

Canal D

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Exercice 1