Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac

1. Constitution et transformations de la matière

Composition et évolution d'un système

Ouverture de thème p. 16-17

Ch. 1

Modélisation des transformations acide-base

Ch. 2

Analyse physique d'un système chimique

Ch. 3

Méthode de suivi d'un titrage

Ch. 4

Évolution temporelle d'une transformation chimique

Ch. 5

Évolution temporelle d'une transformation nucléaire

BAC

Thème 1

Prévision et stratégie en chimie

Ouverture de thème p. 146-147

Ch. 6

Évolution spontanée d'un système chimique

Ch. 7

Équilibres acide-base

Ch. 8

Transformations chimiques forcées

Ch. 9

Structure et optimisation en chimie organique

Ch. 10

Stratégies de synthèse

BAC

Thème 1 bis

2. Mouvement et interactions

Ouverture de thème

p. 290-291

Ch. 11

Description d'un mouvement

Ch. 12

Mouvement dans un champ uniforme

Ch. 13

Mouvement dans un champ de gravitation

Ch. 14

Modélisation de l'écoulement d'un fluide

BAC

Thème 2

3. Conversions et transferts d'énergie

Ouverture de thème

p. 402-403

Ch. 15

Étude d’un système thermodynamique

Ch. 16

Bilans d'énergie thermique

BAC

Thème 3

4. Ondes et signaux

Ouverture de thème

p. 462-463

Ch. 17

Propagation des ondes

Ch. 18

Interférences et diffraction

Ch. 19

Lunette astronomique

Ch. 20

Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

Ch. 21

Évolutions temporelles dans un circuit capacitif

BAC

Thème 4

Annexes

Ch. 22

Méthode

Chapitre 17

Activité 1 - Activité d'exploration

Expérience de Ballot

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Objectifs : Interpréter les observations correspondant à une manifestation de l'effet Doppler.
Établir et exploiter l'expression du décalage Doppler.

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Problématique de l'activité

En 1842, le physicien autrichien Christian Doppler modélise un phénomène caractéristique des ondes émises par des sources en mouvement, et le présente à l'Académie royale des sciences de Bohème. En 1845, le physicien autrichien Christoph Buys-Ballot réalise une expérience pour tester la théorie de Doppler.

Comment Ballot a-t-il mis l'effet Doppler en évidence en 1847

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Doc. 1
Abaissement de ton au passage d'un train

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Crédits : Kevin Parrish/Bridgeman

Kevin Parrish, Standard Splendour, 2008.

On peut observer, à chaque station de chemin de fer, un effet de ce genre extrêmement instructif, au moment du passage d'un train à grande vitesse. Pendant qu'il approche, les ondes émises par le sifflet sont virtuellement ou équivalemment raccourcies, parce qu'il en arrive un plus grand nombre à l'oreille, dans un temps donné.

Quand il s'éloigne au contraire, les ondes sonores sont virtuellement ou équivalemment rendues plus longues. La conséquence de ce raccourcissement et de cet allongement est que, lorsque le train s'approche, le sifflet rend un son plus aigu, et que lorsqu'il s'éloigne le sifflet rend un son plus grave que lorsque le train est au repos.

On perçoit donc à chaque passage du train un abaissement de ton. Des expériences de ce genre ont été faites sur les chemins de fer hollandais par M. BuysBallot, et plus tard en Angleterre par M. Scott-Russel.

John Tyndall,

Le son : cours expérimental fait à l'Institution Royale, 1869, p. 83.

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Doc. 2
Expérience de Buys-Ballot

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Crédits : lelivrescolaire.fr

Le 3 juin 1845, afin de tester les théories de Christian Doppler, Christoph Buys-Ballot place des musiciens sur un train et leur demande de jouer un

l a_{3}

.

Il place sur le quai, à intervalles réguliers, des groupes d'autres musiciens capables de distinguer très finement les différences de hauteur de notes. Lorsque le train s'est approché, les musiciens restés à quai ont affirmé avoir entendu un

s i ♭_{3}

soit une note plus aiguë d'un demi-ton.

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Doc. 3
Effet Doppler

Lorsqu'un émetteur d'onde est en mouvement à une vitesse v par rapport à un récepteur fixe, la fréquence

f_{r e c}

reçue par le récepteur diffère de la fréquence

f_{e m}

émise selon les formules suivantes :

si l'émetteur et le récepteur se rapprochent :

f_{r e c} = \frac{f _{e m} \cdot v _{o n d e}}{v _{o n d e} - v}

si l'émetteur et le récepteur s'éloignent :

f_{r e c} = \frac{f _{e m} \cdot v _{o n d e}}{v _{o n d e} + v}

f_{r e c}

: fréquence reçue par le récepteur (Hz)

f_{e m}

: fréquence émise par le récepteur (Hz)

v_{o n d e}

: vitesse de l'onde (m·s^-1)

v

: vitesse de rapprochement ou d'éloignement entre l'émetteur et le récepteur (m·s^-1)

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Supplément numérique

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Doc. 4
Source sonore en mouvement

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Crédits : lelivrescolaire.fr

La représentation spatiale d'une onde dont la source est en mouvement montre que les écarts spatiaux entre les fronts d'onde n'ont pas la même valeur si la source s'approche ou s'éloigne du récepteur.

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Doc. 5
Fréquences de quelques notes de musique

Note	$s o l_{3}$	$s o l #_{3}$	$l a_{3}$	$s i ♭_{3}$	$s i_{3}$	$d o_{4}$	$d o #_{4}$
Fréquence (Hz)	392	415	440	466	494	523	554

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Doc. 6
Christian Doppler et Christoph Buys-Ballot

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Crédits : Bridgeman Images ; World History Archive/Alamy

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Données

Vitesse du son dans l'air : $v_{s o n} = 340$ m⋅s^-1
Célérité de la lumière dans le vide : $c = 3, 00 \times 1 0^{8}$ m⋅s^-1

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Questions

RAI/ANA : Construire un raisonnement
VAL : Analyser des résultats

Compétence(s)

1. a. Exprimer la longueur d'onde de l'onde reçue

λ_{r e c}

par l'observateur en fonction de

f_{r e c}

v_{o n d e}

dans le référentiel terrestre.

b. Exprimer les vitesses

v_{1}

v_{2}

de l'onde dans le référentiel lié à l'émetteur en fonction de

v_{o n d e}

v

, respectivement dans le cas d'un éloignement et d'un rapprochement entre l'émetteur et le récepteur.

c. En déduire une expression des longueurs d'onde

λ_{1}

λ_{2}

(respectivement dans le cas d'un éloignement et d'un rapprochement) de l'onde émise dans le référentiel de l'émetteur en fonction de

f_{e m}

v_{o n d e}

v

d. En écrivant l'égalité entre les longueurs d'onde exprimées dans les deux référentiels, retrouver les formules données dans le

doc. 3.

2. Expliquer pourquoi les musiciens restés à quai ont entendu une note plus aiguë que celle jouée sur le train.

3. Calculer la vitesse à laquelle ce train se déplaçait.

4. En déduire la note entendue par les musiciens à quai lorsque le train s'éloignait.

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Synthèse de l'activité

Calculer la vitesse que le train devrait avoir pour que les musiciens entendent un

d o_{4}

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Expérience de Ballot