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Influence de la température sur la vitesse du son dans l’air
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Exercice corrigé




Influence de la température sur la vitesse du son dans l’air

MOD : Les propriétés des ondes : fréquence / longueur d’onde / vitesse de propagation

Énoncé

Émetteur et récepteur


On place deux émetteurs/récepteurs d’ultrasons aux extrémités de deux tubes identiques, de longueur 4,0 cm qui contiennent de l’air.
Le premier tube est maintenu à 30 °C et le second à 10 °C grâce à un système d’isolation thermostaté.

On envoie simultanément une salve d’ultrasons dans chaque tube. Les émetteurs et récepteurs sont reliés à un ordinateur qui enregistre les signaux émis et reçus à l’autre extrémité. On obtient le graphique suivant :

Graphique salve d’ultrasons


1. Que représentent les grandeurs en abscisse et en ordonnée ?

2. Pourquoi les courbes qui modélisent les salves sur l’écran sont-elles décalées sur l’axe des abscisses ?

3. Donner la durée de parcours des ultrasons dans chaque cas.

4. Exprimer et calculer la vitesse du son pour chaque cas. Conclure.

Données

  • Une salve d’ultrasons est une succession d’ondes ultrasonores émise pendant une certaine durée, formant un « paquet » d’ultrasons. Entre deux salves rien n’est émis.
  • Célérité du son :
    dans l'air à 20 ° C : 340 m⋅s-1 ;
    dans l'acier : 5 800 m⋅s‑1.

Analyse de l'énoncé

1. Bien observer le montage pour comprendre son principe. Qu’est-ce qui est fait ? Que mesure-t-on ?

2. Analyser les données affichées sur l’axe du graphique.

3. Il n’est pas demandé de calculer, les informations peuvent se trouver sur le graphique.

4. La vitesse des sons dépend de quelles grandeurs ? Sont-elles disponibles dans l’énoncé ?

Pour bien répondre

1. Il faut être précis sur le vocabulaire. On compare le début de l’émission avec le début de la réception.

3. Attention de bien préciser l’unité.

4. « Exprimer » signifie qu’il faut donner l’expression littérale. Attention aux unités et aux chiffres significatifs. Mettre la longueur en m et le temps en s.

Solution rédigée

1. En abscisse, se trouve le temps ; en ordonnée, l’amplitude des sons, liée à leur intensité.

2. Le décalage est dû aux écarts de vitesses de propagation.

3. On lit pour le tube et pour le tube

4. ce qui donne m⋅s-1

et m⋅s‑1

La vitesse du son dans l’air dépend bien de la température.
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Mise en application

Lors de travaux, on donne un coup de marteau sur une extrémité d’un rail en acier de 20 m.

Calculer la durée nécessaire au son pour atteindre l’autre extrémité du rail, dans l’air puis dans le rail.
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