Le principe du sonar, étude de la vitesse du son avec un oscilloscope

Niveau : seconde Durée : 40 min.

Sujet : Principe du sonar

étude de la vitesse du son avec un oscilloscope

Fiche n° 1 : DESCRIPTIF DU SUJET DESTINÉ AUX PROFESSEURS

Démarche

Dans ce sujet on demande à l’élève de :

déterminer la vitesse des ultrasons dans l’air ;

réaliser un montage illustrant le principe du sonar et d’en déduire une distance.

Compétences évaluées

Les manipulations proposées permettent d'évaluer les savoir-faire expérimentaux suivants :

utiliser un oscilloscope « préréglé » pour mesurer une durée ;

suivre un protocole et utiliser le matériel prescrit.

Préparation du poste de travail

Précaution de sécurité : tous les appareils connectés au secteur sont branchés avant l’arrivée de l’élève.

Remettre l’oscilloscope dans le même état de réglage initial entre deux séries d’évaluation.

 Émetteur en mode salves (ou à défaut un générateur de tension créneau réglé sur

100Hz) branché sur la voie 1 de l’oscilloscope. Le générateur sera déjà branché

à l’émetteur.

 Récepteur (débranché) face à l’émetteur.

 Réglages : base de temps (0,5 ms/div.), sensibilité de la voie 1, couplage DC,

synchronisation et mode Dual.

 Vérifier que les deux voies et la base de temps ne sont pas décalibrées.

 Dérégler la sensibilité de la voie 2 tout en conservant le signal à l’écran.

 Compléter la fiche n°3 avec les numéros de la notice de l’oscilloscope

  « bouton n°.…. » ou placer des pastilles numérotées sur les boutons. Changer éventuellement « voie 1 » et « voie 2 » en « voie X » et « voie Y ».

Déroulement de l'épreuve

Il est prévu deux appels de la part de l’élève :

lors du premier appel, le professeur vérifie que l’élève a réalisé le montage

décrit et a fait une bonne lecture du nombre de divisions ;

lors du deuxième appel, le professeur vérifie que l’élève a réalisé le montage

décrit et a fait une bonne lecture du nombre de divisions et sait en déduire L.

Notation

On utilisera la grille d’évaluation sur laquelle figurent les points correspondant à chaque type de compétences expérimentales à évaluer.

Si lors d’un appel l’élève n’a pas réussi à réaliser le travail demandé, le professeur lui donne la solution. Les points de la question ne lui sont pas attribués.

Ce TP, qui concerne la première partie du programme de seconde, doit être précédé d’une ou plusieurs séances, durant lesquelles les élèves auront appris à se servir d’un oscilloscope. Dans cette optique il est possible de le placer après le chapitre sur le temps.

Consignes à donner aux élèves oralement en début de séance :

lire le but de la manipulation, et passer rapidement à la partie « travail à effectuer » ;

préciser aux élèves de ne pas attendre sans rien faire lors des « appels professeur » : leur conseiller de compléter le début de la feuille de réponses.

Fiche n° 2  : LISTE DU MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU PERSONNEL DE LABORATOIRE

Pour chaque poste :

un émetteur d’ultrasons et son alimentation (salves ou tension en créneau) ;

un récepteur d’ultrasons ;

un oscilloscope bicourbe et une notice comportant la liste des boutons ;

deux fiches BNC, 3 fils rouges et 3 noirs ;

un écran rigide (carton, bois, métal, PVC…) pour la réflexion des ultrasons ;

mètre ruban ou grande règle graduée ;

le schéma (oscillogramme avec le principe de la détermination du retard) situé sur la feuille d’énoncé sera adapté au matériel utilisé pour être le plus proche possible de la situation observée.

Niveau : seconde Durée : 40 min.

Sujet : Principe du sonar

étude de la vitesse du son avec un oscilloscope

Fiche n°3 : ÉNonCÉ DESTINÉ À l’ÉlÈve

Ce sujet est accompagné d'une feuille de réponses individuelles sur laquelle les résultats doivent être consignés.

But de la manipulation :

Etudier la propagation des ultrasons et utiliser leur réflexion sur un obstacle pour déterminer la distance à laquelle se situe l’obstacle (principe du sonar et de l’échographie).

Travail à effectuer :

1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l’air

1.1. Connexion à l’oscilloscope et visualisation d’une tension :

L’émetteur est relié au générateur.

Placer le récepteur à la distance d = 60,0 cm de l’émetteur, bien en face de lui.

L’émetteur est déjà connecté à la voie 1 de l’oscilloscope de manière à visualiser sur l’écran de l’oscilloscope la tension appliquée aux bornes de cet émetteur.

Ne pas toucher à la sensibilité de la voie 1 ni à la base de temps qui sont déjà

...