Science physisques - exercitation sur les ondes ultrasonores et deux applications - correction, Exercices de Chimie Physique
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Eleonore_sa29 April 2014

Science physisques - exercitation sur les ondes ultrasonores et deux applications - correction, Exercices de Chimie Physique

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Science physisques - exercitation sur les ondes ultrasonores et deux applications - correction. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la fréquence des ultrasons émis, la célérité des ultrasons dans l’air, L’éc...
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EXERCICE Ill. ONDES ULTRASONORES ET DEUX APPLICATIONS (4 points). Asie 2007 – Correction Sans calculatrice

Partie A 1.1. fréquence des ultrasons émis

Sur l'oscillogramme, on mesure 2T = 8,0  5 µs

T = 20 µs = 2,0 10-5 s

f = T

1 avec f en Hz et T en s.

f =  5

1

2 10 = 0,5  105 = 5 104 Hz = 5  101 kHz.

Remarque : f > 20 kHz, il s'agit bien d'ondes ultrasonores.

1.2. La longueur d’onde  appelée aussi période spatiale de l'onde, est la distance parcourue par l'onde à la célérité v pendant la durée T.

= v . T. 1.3. R2 à la distance d de R1 : les deux signaux reçus sont en phase.

R2 en R'2 à la distance d' de R1 : les deux signaux reçus sont de nouveau en phase.

Le retard  du signal reçu par R’2 par rapport à celui reçu par R2 est égal à T :  = T .

Or  = d ' d

v

 et  = T donc T =

d ' d

v

  d'-d = v.T (1)

D'autre part  = v.T (2)

En identifiant les expressions (1) et (2), il vient  = d' – d

 = 3,5 – 2,8 = 0,7 cm = 710–3 m (1 seul chiffre significatif car la précision des mesures est de 0,1 cm).

1.4. Célérité des ultrasons dans l’air : v = 

T =  . f

v = 710–3  5104 = 3,5102 m.s-1 = 4.102 m.s-1 (en respectant le nombre de chiffres significatifs)

1.5. On a v = .f avec  = d' – d donc v = (d’ – d).f

Or f reste constante donc si la distance d'-d quadruple alors la célérité v doit quadrupler aussi. Ainsi veau = 4vair

veau = 4  3,5102 = 1,4103 m.s-1 = 1103 m.s-1 (en respectant le nombre de chiffres significatifs).

2T

balayage horizontal 5 µs/div

Partie B 2.1. Une onde mécanique progressive est la propagation de proche en proche d'une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière mais avec transport d'énergie. 2.2. Il s'agit d’une onde longitudinale car la direction de la perturbation est de même direction que celle de propagation de l'onde. 2.3. Dans les zones de dépression du liquide, suite au passage de l'onde acoustique, la pression est localement très inférieure à la pression moyenne régnant dans le liquide. Or "la température d’ébullition d’un liquide diminue quand la pression diminue" donc dans les zones de dépression, le liquide se vaporise localement créant ainsi des microbulles de vapeur. Ces microbulles formées (= corps creux) implosent immédiatement lorsqu'une zone de surpression arrive, en effet la pression dans les microbulles de vapeur est nettement inférieure à la pression régnant dans les zones de surpression du liquide.

3. L’échogramme du cerveau. « P0 correspond à l’émission à l’instant de date t = 0 s de l’impulsion; P1 à l’écho dû à la réflexion sur la surface externe de l’hémisphère gauche (G sur le schéma); P2 a l’écho sur la surface de séparation des deux hémisphères; P3 à l’écho sur la surface interne de l’hémisphère droit (D sur le schéma). La célérité des ultrasons dans les hémisphères est v = 1500 m.s-1. »

3.1. La durée t du parcours de l'onde dans l'hémisphère gauche est la différence des instants correspondant aux pics P1 et P2 :

t = 160 – 10,0 = 150 µs. Pour l'hémisphère droit on a de même, entre les pics P2 et P3 :

t = 310 – 160 = 150 µs.

3.2. À la date t1 = 10,0 µs, le 1er écho (pic P1) est perçu, l’onde a parcouru une distance égale à 2d. À la date t2 = 160 µs, le 2nd écho (pic P2) est perçu, l’onde a parcouru une distance égale à 2D = 2(d+ L).

Entre les dates t1 et t2, donc pendant la durée t = t2 – t1 , l’onde a parcouru la distance 2d+2L–2d = 2L dans le cerveau à la célérité v = 1500 m.s-1.

Alors v = 2L

Δt ou L =

2

v. t

L =  

        6 2 1 6

31500 150 10 15 10 15 10 10 225 10 2 2 2

L = 11310–3 m = 1,13.10-1 = 11,3 cm.

d

D

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