Cours en ligne Physique-Chimie en Terminale

Chapitres Physique-Chimie en Terminale Générale

Exercices sur les Phénomènes Ondulatoires en terminale générale

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Résumé de cours Exercices et corrigés

Cours en ligne de Physique-Chimie en Terminale

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QCM sur les Phénomènes Ondulatoires en Terminale

Question sur les Ondes Progressives en Physique

Une onde est émise en $S$ et perçue en $M$ avec $SM=D$ . Le retard de l’onde en $M$ par rapport à $S$ est $\tau$ . La célérité de l’onde, supposée partout la même, vaut

a. $c=\displaystyle{\frac{D}{\tau}}$

b. $c=\displaystyle{\frac{\tau}{D}}$

c. $c=D\tau$

Question sur l’Atténuation Acoustique en Physique

Au passage d’un train, on mesure une intensité sonore $I=1,0\cdot 10^{-3} \mathrm{W\cdot m^{-2}}$

Le niveau d’intensité sonore correspondant vaut

a. $L=9,0~\mathrm{dB}$
b. $L=90~\mathrm{dB}$
c. $L=207~\mathrm{dB}$
d. $L=1,0\cdot 10^9~\mathrm{dB}$

Question sur la Diffraction en Physique

Dans le phénomène de diffraction d’une onde de longueur d’onde $\lambda$ par une ouverture de largeur $a$ , l’angle caractéristique de diffraction augmente

a. quand $\lambda$ augmente et quand $a$ augmente
b. quand $\lambda$ diminue et quand $a$ augmente
c. quand $\lambda$ augmente et quand $a$ diminue
d. quand $\lambda$ diminue et quand $a$ diminue

Question sur les Interférences en Physique

Un point $M$ à la surface de l’eau est sur la médiatrice de deux sources synchrones vibrantes $S_1$ et $S_2$ .

a. Les ondes en $M$ sont en phase et on y observe des interférences constructives.
b. Les ondes en $M$ sont en opposition de phase et on y observe des interférences destructives.
c. On ne peut pas prévoir l’état vibratoire en $M$ car on ne connaît pas la longueur d’onde.

Correction du QCM Phénomènes Ondulatoires en Terminale

Correction de l’exercice sur les Ondes Progressives en Physique

Réponse A, cf le cours sur les Phénomènes Ondulatoires en Terminale.

Correction de l’exercice sur l’Atténuation Acoustique en Physique

Réponse B :

$L=10\displaystyle{\log\frac{10^{-3}}{10^{-12}}}$
$L=10\times 9=90~\mathrm{dB}$

Correction de l’exercice sur la Diffraction en Physique

Réponse C : $\theta=\displaystyle{\frac{\lambda}{a}}$

Correction de l’exercice sur les Interférences en Physique

Réponse A :

Par définition de la médiatrice

$S_2M=S_1M$

donc $\delta =S_2M-S_1M=0$

donc $\delta =0\times \lambda$ et 0 est un nombre entier donc les deux ondes sont en phase et les interférences sont constructives en $M$ , quelle que soit la longueur d’onde.

Exercices sur Phénomènes Ondulatoires en Terminale

Exercice sur les Ondes Progressives en Terminale

Analyse de signaux acoustiques.

Un émetteur d’ultrasons placé en $O$ émet une onde qui se propage sur un axe $(O,x)$ .

À l’abscisse $x=15,0~\mathrm{cm}$ . on place côte-à-côte deux récepteurs A et B reliés à un oscilloscope.

On obtient l’oscillogramme 1 (les courbes ont été très légèrement décalées pour plus de visibilité, mais elles sont bien superposées).

On déplace le récepteur B jusqu’à retrouver deux signaux en phase, lorsque B se trouve à l’abscisse $x'=16,4~\mathrm{cm}$ .

On rapproche ensuite B de A jusqu’à l’abscisse $x''\in[x~x']$ .

On obtient l’oscillogramme 2.

a. Quelle est la période $T$ du signal ? En déduire sa fréquence $f$ .

b. Calculer la différence $x'-x$ . Que représente cette distance ?

c. En déduire la célérité $c$ des ultrasons dans cette expérience.

d. Déterminer le retard $\tau$ de l’onde entre B et A dans la situation où A est en $x$ et B en $''$ .

e. En déduire la valeur de $x''$ .

Exercice sur l’Atténuation Acoustique en Terminale

Atténuation acoustique géométrique

Un son émis au niveau d’une source ponctuelle S, de puissance $\mathcal{P}=5,1~\mathrm{W}$ se propage dans toutes les directions de l’espace.

En un point $M$ situé à la distance $r=SM$ de la source, la puissance se dilue sur une aire égale à celle de la sphère de centre $S$ et de rayon $r$ ,

soit $A=4\pi r^2$ .

a. Calculer l’intensité sonore $I$ et le niveau d’intensité sonore $L$ à $r=10,0~\mathrm{m}$ de S. On rappelle la valeur de l’intensité sonore de référence

$I_0=1,0\cdot 10^{-12}~\mathrm{W\cdot m^{-2}}$

b. À quelle distance de S le son n’est-il plus audible, c’est-à-dire a-t-on $L=0~\mathrm{dB}$ ?

c. Quelle est l’atténuation acoustique $A=L-L'$ quand on passe de $r=10,0~\mathrm{m}$ à $r'=20,0~\mathrm{m}$ ?

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Exercice sur la Diffraction en Terminale

Détermination du diamètre d’un fil

Lorsqu’on place un obstacle de largeur $a$ sur le trajet d’un faisceau laser, on observe une figure de diffraction analogue à celle donnée par une fente de largeur $a$ . On mesure sur un écran la largeur $d$ de la tache centrale de diffraction obtenue avec des fils calibrés de différents diamètres $a$ .

$\begin{array}{c|c} a~(\mathrm{mm}) & d~(\mathrm{cm}) \\ \hline 0,10 & 3,30 \\ 0,20 & 1,65 \\ 0,30 & 1,1 \\ 0,40 & 0,85 \\ 0,50 & 0,65 \end{array}$

a. Construire le graphe donnant $d$ en fonction de $1/a$ .

b. Expliquer pourquoi c’est une droite.

c. On éclaire un fil de diamètre $a$ inconnu avec le laser, on mesure une tache centrale de diffraction de largeur $d=1,4~\mathrm{cm}$

Exercice sur les interférences en Terminale

Nombre de franges visibles

Un dispositif est constitué de deux fentes d’Young $F_1$ et $F_2$ de même largeur $a=0,05~\mathrm{mm}$ distantes de $b=0,5~\mathrm{mm}$

On les éclaire par un laser de longueur d’onde $\lambda=500~\mathrm{nm}$ .

On place un écran à $D=5,0~\mathrm{m}$ des fentes d’Young.

a. En un point $M$ d’abscisse $x$ mesurée à partir du point d’impact du laser en l’absence des fentes d’Young, la différence de marche vaut

$\delta=F_2M-F_1M=\displaystyle{\frac{bx}{D}}$

En déduire l’interfrange $i$

b. Les franges ne peuvent apparaître que sur une largeur égale à celle de la tache centrale de diffraction que donnerait le laser s’il traversait une seule fente d’Young. Calculer la largeur $d$ correspondante.

c. Combien de franges sont visibles (à une unité près) ?

Correction exercices sur les Phénomènes Ondulatoires en Terminale

Correction de l’exercice sur les Ondes Progressives

a. On mesure sur les oscillogrammes $T=4,0~\mu\mathrm{s}$ .

On en déduit $f=\displaystyle{\frac1{T}=25~\mathrm{kHz}}$

b. $x'-x=1,4~\mathrm{mm}$ est la plus petite distance entre deux points où les signaux sont en phase, donc de même état vibratoire, donc $x'-x=\lambda$

La longueur d’onde vaut donc $\lambda=1,4~\mathrm{cm}$

c. On en déduit

$c=\lambda f=350~\mathrm{m\cdot s^{-1}}$

d. Si on repère sur le second oscillogramme, par exemple, les dates où la tension est maximale, c’est le cas pour la première fois

* en A (courbe bleue) à la date $t_A=10~\mathrm{\mu s}$

* et en B (courbe rouge) à la date $t_A=42~\mathrm{\mu s}$

On en déduit $\tau=32~\mathrm{\mu s}$ .

e. On a

$\displaystyle{c=\frac{x''-x}{\tau}}$

donc $x''-x=c\tau$

et $x''=x+c\tau=16,1~\mathrm{cm}$

Correction de l’exercice sur l’Atténuation Acoustique

a. Par définition
$I=\displaystyle{\frac{P}{A}=4,06\cdot 10^{-3}~\mathrm{W\cdot m^{-2}}}$

On en déduit
$L=10\log\displaystyle{\frac{I}{I_0}}=96,1~\mathrm{dB}$

b. On a $L=0~\mathrm{dB}$ quand $I=I_0$ soit
$\displaystyle{\frac{P}{4\pi r^2}=I_0}$
donc $\displaystyle{r=\sqrt{\frac{P}{4\pi I_0}}=637~\mathrm{km}}$

Cette valeur est évidemment excessive, avec l’hypothèse d’un bruit ambiant nul (alors que même dans les endroits calmes, le niveau d’intensité sonore est de l’ordre de 30 à 40 dB), et d’une atténuation acoustique de l’air parfaitement nulle, ce qui est faux.

c. On a
$\displaystyle{A=10\log\frac{I}{I_0}-10\log\frac{I'}{I_0}=10\log\frac{I}{I'}}$
Or $\displaystyle{\frac{I}{I'}=\frac{P}{4\pi r^2}\cdot\frac{4\pi r'^2}{P}}$
donc $\displaystyle{\frac{I}{I'}=\frac{{r'}^2}{r^2}}$
et $\displaystyle{A=10\log\frac{{r'}^2}{r^2}=6,02~\mathrm{dB}}$

On en déduit que $L'=L-A\simeq 90~\mathrm{dB}$ .

Correction de l’exercice sur la Diffraction

a. On calcule les valeurs de $1/a$ et on trace le graphique (voir ci-dessous).

$graphique-diffraction-phenomenes-ondulatoires$

b. L’angle caractéristique de diffraction vaut
$\displaystyle{\theta=\frac{\lambda}{a}}$

Si on note $D$ la distance du fil à l’écran,

on en déduit $\displaystyle{d=\frac{2D\lambda}{a}}$
donc $d$ est proportionnel à $1/a$ ce qui prouve que les points forment une droite passant par l’origine.

c. On reporte sur la droite d’étalonnage, on trouve
$1/a=4200~\mathrm{m^{-1}}$

donc $a=\displaystyle{\frac1{4200}=0,24~\mathrm{mm}}$

Correction de l’exercice sur les Interférences

a. On reprend la démonstration donnée dans le cours. Les abscisses des centres des franges brillantes sont celles où la différence de marche est égale à un nombre entier de fois la longueur d’onde.

L’abscisse $x_k$ de la frange associée à l’entier $k$ vérifie donc
$\displaystyle{\frac{bx_k}{D}}=k\lambda$
donc $x_k=\displaystyle{k\frac{\lambda D}{b}}$

L’interfrange, la distance entre deux franges brillantes consécutives vaut donc
$i=x_{k+1}-x_k$
$i=(k+1)\displaystyle{\frac{\lambda D}{b}}-k\displaystyle{\frac{\lambda D}{b}}$
soit $i=\displaystyle{\frac{\lambda D}{b}=5,0~\mathrm{mm}}$

b. L’angle caractéristique de diffraction vaut

$\displaystyle{\theta=\frac{\lambda}{a}=0,01~\mathrm{rad}}$

Dans le triangle rectangle d’angle au sommet $\theta$ , qui est un petit angle, on a

$\theta\simeq \tan\theta=\displaystyle{\frac{d/2}{D}}$

donc $d=2D\alpha=10~\mathrm{cm}$

c. Le nombre de franges visibles vaut donc

$\displaystyle{N=\frac{d}{i}=20}$

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