Les supports didactiques imprimés de la leçon : Les Ondes Mécaniques Progressives

Document : Situation de départ

Océan avec vagues et un bouchon flottant — L'observation attentive de la nature permet de soulever les grands principes de la physique des ondes.

Lors d'une journée ensoleillée au bord de l'océan atlantique, Yassine observe la mer depuis le rivage. Il repère au loin un petit bouchon rouge, perdu par un pêcheur, qui flotte à la surface de l'eau. En observant attentivement, il remarque deux phénomènes intrigants :

Malgré les vagues successives qui se dirigent visiblement vers la plage, le bouchon ne fait que monter et descendre verticalement sur place, sans être transporté vers le sable.
Il voit au loin l'écume d'une grosse vague se briser violemment sur des rochers, mais le bruit de l'impact ("Bruit du ressac") ne lui parvient que quelques secondes plus tard.

👉 Problème : Qu'est-ce qui se propage réellement à la surface de l'eau si le bouchon (la matière) reste sur place ? Pourquoi y a-t-il un décalage entre la vue de la vague et la réception de son bruit ?

Activité expérimentale 1 : Observation de propagations

Expériences de propagation sur une corde, un ressort et la surface de l'eau — Exp 1 : Corde tendue. Exp 2 : Ressort comprimé. Exp 3 : Surface de l'eau.

Questions :

1 Dire ce qui arrive à la corde, au ressort et à la surface de l'eau suite aux actions initiales de l'expérimentateur.

2 Quelle est la nature du milieu dans chaque expérience ?

3 En observant les points P et Q marqués sur les milieux, la propagation de l'onde est-elle accompagnée du transport de la matière ?

4 Proposer une définition précise de l'onde mécanique.

Activité expérimentale 2 : Le phénomène sonore

Expériences de la cloche à vide et du diapason frappé — Exp 1 : Téléphone sous cloche à vide. Exp 2 : Diapason frappé près d'une balle.

On réalise deux expériences pour comprendre la nature du son.

Exp 1 : On place un téléphone portable en train de sonner sous une cloche de verre étanche. On active une pompe à vide pour vider tout l'air contenu sous la cloche.

Exp 2 : On frappe les branches d'un diapason (placé sur une caisse de résonance). On approche très doucement une petite balle légère (pendule simple) des branches vibrantes.

Questions :

1 Dans l'expérience 1, que se passe-t-il concernant le son émis par le téléphone lorsqu'on vide l'air ? Quelle conclusion fondamentale peut-on en tirer ?

2 Dans l'expérience 2, que fait la balle suspendue après avoir frappé le diapason ? En déduire la nature directionnelle de l'onde sonore.

Exercice 1 : L'onde le long de la corde

Onde sur une corde avec un axe gradué en mètres — Figure 1 : Aspect de la corde à la date t = 2,0 s.

Une perturbation se propage de gauche à droite le long d'une corde élastique horizontale. On a photographié la corde (aspect spatial) à un instant précis $t = 2,0 \text{ s}$. L'origine de la source $S$ a commencé à vibrer à l'instant $t_0 = 0 \text{ s}$.

Questions :

1 Définir ce qu'est une onde mécanique progressive.

2 En observant le schéma, s'agit-il d'une onde transversale ou longitudinale ? Justifier rigoureusement.

3 Déterminer la valeur de la distance parcourue par le front de l'onde (point le plus avancé) à l'instant du cliché.

4 Calculer la célérité $v$ de propagation de l'onde le long de cette corde.

5 Déterminer graphiquement la longueur $L$ (étendue spatiale) de la perturbation. En déduire la durée $\Delta t$ temporelle de cette perturbation.

6 Calculer le retard temporel $\tau$ avec lequel le point M (situé à l'abscisse $x_M = 4 \text{ m}$) commence son mouvement ascendant par rapport à la source S.

Exercice 2 : Ondes ultrasonores et capteurs

Dispositif expérimental avec un émetteur et deux récepteurs A et B alignés, et les oscillogrammes — Figure 2 : Montage de l'expérience et oscillogrammes des signaux reçus en A et B.

Pour déterminer la célérité des ultrasons dans l'air, on réalise le montage ci-dessous. Un émetteur E envoie de courtes salves d'ultrasons qui sont captées par deux récepteurs (microphones) A et B, distants d'une longueur $d = 0,68 \text{ m}$. Les signaux captés sont visualisés sur les deux voies d'un oscilloscope.

Questions :

1 L'onde ultrasonore est-elle de nature électromagnétique ou mécanique ? Justifier la réponse de manière argumentée.

2 Cette onde est-elle longitudinale ou transversale ?

3 Est-il possible de réaliser exactement la même expérience avec ce dispositif si l'on se trouve dans une station spatiale exposée au vide intersidéral ? Pourquoi ?

4 Sur l'oscillogramme, la base de temps (sensibilité horizontale) est réglée sur $S_h = 0,5 \text{ ms/div}$. Déterminer, en justifiant graphiquement, le retard temporel $\tau$ qui sépare la réception du signal par le capteur A et sa réception par le capteur B.

5 En exploitant ce retard et la distance $d$, calculer la célérité $v$ des ondes ultrasonores dans l'air du laboratoire.

6 Écrire la relation mathématique exacte liant l'élongation $y_B(t)$ du récepteur B à l'élongation $y_A(t)$ du récepteur A.

Schémas d'une onde transversale (corde) et longitudinale (ressort) — Onde transversale (déformation perpendiculaire) vs Onde longitudinale (déformation parallèle).

Représentation des ondes sonores par compression et dilatation des molécules d'air — Propagation du son par zones de compression et de dilatation de l'air.

Trakab mawjatayn : Superposition de deux impulsions sur une corde — Croisement de deux ondes : Addition temporaire puis séparation sans modification.

Schéma montrant l'onde en S puis l'onde arrivant en M avec un retard tau — Le front de l'onde parcourt la distance SM pendant la durée $\tau$.

Comparaison entre le graphique y=f(x) aspect spatial et y=f(t) élongation temporelle — Aspect de la corde $y=f(x)$ (spatial) VS Élongation d'un point $y=f(t)$ (temporel).