Fiche d'exercices sur les ondes

EXERCICES : ONDES

Exercice n°1 : célérité d’une onde

1. Lors d’un orage, un promeneur voit la foudre tomber sur une colline distante de 6,5 km. 19 secondes plus tard, il entend le bruit du tonnerre. Calculez la célérité du son dans l’air. Justifiez le raisonnement.
2. La célérité d’un son est-elle la même dans l’air et dans l’eau ? Pourquoi ?
3. La lumière met 8 minutes et 20 secondes pour parcourir la distance séparant le soleil de la Terre. La célérité de la lumière est 3.00 108m/s dans le vide ou dans l’air. Calculez la distance séparant le soleil de la Terre. Justifiez.
4. La célérité de la lumière est elle la même dans l’air et dans l’eau ? Pourquoi ?

Exercice n°2 : longueur d’onde, période et fréquence

1. Exploitation de l’oscillogramme du son « La3 » d’un diapason enregistré à l’aide d’un microphone :

[pic 1]

Déterminez la valeur de la période du son « La3 ».

Déterminez la valeur de la fréquence du son « La3 ».

1. Exploitation de l’oscillogramme du son « oh » enregistré à l’aide d’un microphone :

[pic 2]

Déterminez la valeur de la période du son « oh ».

Déterminez la valeur de la fréquence du son « oh »

1. Le la3 de la gamme musicale est un  son pur. Le la3 possède une fréquence de 440 Hz. Calculez la valeur de la période et de la longueur d’onde de cette onde sonore sinusoïdale. Justifiez.

Données : célérité du son dans l’air : 340 m/s.

1. Un laser Hélium-Néon émet dans le vide une onde lumineuse sinusoïdale de longueur d’onde égale à 632,8 nm. La célérité de la lumière dans le vide est égale à 2,998.108 m/s. Calculez la valeur de la période et de la fréquence de cette onde lumineuse sinusoïdale. Justifiez.

Exercice n°3 : A propos de la notion de son « pur » et de son « complexe ».

Données :

• Un son pur est une onde sonore progressive périodique dont la variation réversible de pression en un point donné du milieu est d’allure sinusoïdale.
• Un son complexe est une onde sonore progressive périodique dont la variation réversible de pression en un point donné du milieu est d’allure non sinusoïdale.

1° Exploitation des données :

11° Identifiez l’oscillogramme de l’exercice 2 qui correspondrait à un son « pur ».

12° Identifiez l’oscillogramme de l’exercice 2 qui correspondrait à un son « complexe ».

2° Emission d’un son complexe :

Séquencement de l’expérience :

Abréviation : HP (Haut Parleur)

[pic 3][pic 4][pic 5]

Oscillogramme visualisé à l’oscilloscope lors de chaque étape :

[pic 6]    [pic 7]     [pic 8]

21° Exploitation de l’étape 1 :

211° Déterminez la nature du son émis par le haut parleur 1.

212° Déterminez la valeur de la fréquence du son émis.

22° Exploitation de l’étape 2 :

221° Déterminez la nature du son émis par le haut parleur 2. Justifiez.

222° Déterminez la valeur de la fréquence du son émis. Justifiez.

223° Quelle relation lie la valeur de la fréquence du son de l’étape 2 avec celle de l’étape 1 ?

23° Exploitation de l’étape 3 :

231° Déterminez la nature du son émis par les hauts parleurs 1 et 2. Justifiez.

232° Un technicien affirme que « un son complexe est constitué de sons purs de fréquences multiples ». Qu’en pensez-vous ? Justifiez.

233° Déterminez la valeur de la fréquence du son émis par les deux hauts parleurs. Justifiez.

234° Quel son pur émis impose la valeur de la fréquence du son complexe ?

235° Un technicien affirme que « la valeur de la fréquence du son complexe est imposée par la valeur de la fréquence la plus élevée du son pur contenu dans le son complexe ». Qu’en pensez-vous ? Justifiez.

3° « décomposition en séries de Fourier » :

Données :

• Toute onde progressive périodique d’allure non sinusoïdale peut se décomposer en une somme d’ondes progressives périodiques sinusoïdales dont les valeurs des fréquences de ces ondes sont des entiers multiples de la fréquence de l’onde d’allure non sinusoïdale ;
• On appelle « le fondamental » l’onde progressive périodique d’allure sinusoïdale dont la valeur de la fréquence correspond à la valeur de la fréquence de l’onde progressive périodique d’allure non sinusoïdale ;
• On appelle « harmonique » toute onde progressive périodique d’allure sinusoïdale dont la valeur de la fréquence est un entier multiple de la valeur de la fréquence du fondamental ;
• On appelle « rang » de l’harmonique la valeur de l’entier multiple de la fréquence du fondamental.

31° Quelle est la décomposition en séries de Fourier du son complexe émis lors de l’étape 3 ? Justifiez.

33° Parmi les étapes 1 et 2, identifiez l’oscillogramme qui correspond au « fondamental » du son complexe de l’étape 3 ? Justifiez.

34° Parmi les étapes 1 et 2, identifiez l’oscillogramme qui correspond à « l’harmonique » du son complexe de l’étape 3 ? Justifiez.

35° Déterminez le rang de l’harmonique du son complexe de l’étape 3. Justifiez.

36° Quelle est la décomposition en série de Fourier du son pur émis lors de l’étape 1 ? Justifiez.

37° Quelle est la décomposition en séries de Fourier du son pur émis lors de l’étape 2 ? Justifiez.

4° A propos de la notion de « spectre en fréquence » :

Données :

• Le « spectre en fréquence » est la représentation graphique de la décomposition en série de Fourier de toute onde progressive périodique d’allure non sinusoïdale ;

41° Exploitation du spectre en fréquence du son complexe de l’étape 3 :

   [pic 9]        [pic 10]

411° Quelle est la valeur de la fréquence du fondamental ?

412° Combien d’harmoniques sont contenus dans le son complexe de l’étape 3 ?

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