Lundi 24 novembre 2014 /14 /14 Doc 1 : Nos oreilles sont fragiles. Une trop grande intensité sonore peut les endommager de façon irréversible. Pour prévenir ce risque, il existe des protections auditives de natures différentes selon leur type d’utilisation. On peut distinguer, par exemple, deux catégories de bouchons d'oreilles : - les bouchons en mousse (ou les boules en cire), à usage domestique. Ce sont largement les plus courants. Ils sont généralement jetables, de faible coût et permettent de s'isoler du bruit. Ils restituent un son sourd et fortement atténué. - les bouchons moulés en silicone, utilisés par les musiciens. Ils sont fabriqués sur mesure et nécessitent la prise d'empreinte du conduit auditif. Ils sont lavables à l'eau et se conservent plusieurs années. Ils conservent la qualité du son. Leur prix est relativement élevé. Doc 2 : Sur un document publicitaire, un fabricant fournit les courbes d'atténuation correspondant aux deux types de bouchons (figure ci-contre). On représente ainsi la diminution du niveau sonore due au bouchon en fonction de la fréquence de l'onde qui le traverse. On remarquera que plus l’atténuation est grande plus l’intensité sonore est faible. Doc 3 : Expression du niveau sonore L (en dBA) associé à une = onde sonore d’intensité I : L = 10×log => où I0 représente l’intensité sonore de référence égale à 1,0 × 10 – 12 W.m – 2. 2. Comparaison de la qualité acoustique des bouchons On s'intéresse ici à la qualité du son perçu par un auditeur muni de protections auditives. 2.1. Indiquer pour chaque bouchon si le critère du document 4est ⋆ 4 respecté. 2.2. En utilisant la courbe d’atténuation (document document 2), 2 indiquer si un bouchon en mousse atténue davantage les sons aigus ou les sons graves. ⋆⋆ Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons en mousse) restituent un son sourd". 2.3. Un dispositif adapté permet d'enregistrer le son émis par la flûte et ceux restitués par les deux types de bouchons lorsqu’un musicien joue la note la4. Les spectres en fréquence de ces sons sont représentés figure 2, figure 3 et figure 4 (Doc 5) 2.3.1.. 2.3.1. En justifiant, indiquer si le port de bouchon en mousse modifie : - la hauteur du son ? ⋆⋆ - le timbre du son ? 2.3.2. Même question pour le bouchon moulé en silicone. ⋆ 2.3.3. Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons moulés) conservent la qualité du son". ⋆ 3. Le batteur frappe comme un sourd Doc 6 : Une exposition prolongée à 85 dBA est nocive pour l'oreille humaine. Durant un concert de rock, un batteur est soumis en moyenne à une intensité sonore I = 1,0 × 10 – 2 W.m – 2. 3.1. Calculer le niveau sonore auquel correspond l'intensité sonore I. ⋆ 3.2. Le batteur est porteur de bouchons moulés en silicone correspondant au document publicitaire (doc doc 2) 2 Préciser si ses facultés auditives peuvent être altérées au cours du concert ? ⋆⋆ II. Le laser au quotidien /12 /12 (RCO/APP/REA/ANA) Doc 1 : Les lecteurs CD et DVD ont envahi notre quotidien, ils utilisent respectivement des lasers infrarouges et rouges. Les disques Blu-ray fonctionnent d'une manière similaire à celle des CD et des DVD mais comportent un laser bleu (le blu-ray) fonctionnant à une longueur d'onde λB = 405 nm dans le vide. Le fait que le laser d'un lecteur blu-ray émet une lumière de longueur d'onde différente de celles des systèmes CD ou DVD permet de stocker plus de données sur un disque de même taille (12 cm de diamètre), la taille minimale du point sur lequel le laser grave l'information étant limitée par la diffraction. D’ailleurs pour pouvoir stocker davantage d'informations sur un disque, les scientifiques travaillent sur la mise au point d'un laser ultra violet. Doc 2 : caractéristiques des disques CD, DVD et BluBlu-ray Figure 1 Figure 2 disque 0,1 mm Coté étiquette Coté étiquette Coté étiquette zone non gravée zone gravée 1,2 mm Doc 4 : Une pratique musicale régulière d'instruments tels que la batterie ou la guitare électrique nécessite une atténuation du niveau sonore. Cependant, cette atténuation ne doit pas être trop importante afin que le musicien entende suffisamment ; elle ne doit donc pas dépasser 25 dBA. Doc 5 : Enregistrement de différents sons 0,1 mm NOM : …………………………………………………………………. I. Attention aux oreilles (APP/REA/VAL) 0,6 mm DEVOIR SURVEILLE N°3 CLASSE DE TS laser Figure 3 Figure 4 Zoom sur la zone gravée et le spot laser Simple face Double face L'objectif de l'exercice est de comparer le comportement acoustique des bouchons en mousse et des bouchons moulés, lorsque l'auditeur qui les porte écoute le son émis par une flûte à bec. 1. Analyse de la note la4 d’une flûte à bec Le musicien joue la note la4. À l'aide d'un système d'acquisition, on enregistre le son émis par la flûte. On obtient l'enregistrement du signal électrique correspondant (figure 1, doc 5). 1.1. En utilisant la figure 1, 1 on a déterminé la fréquence du son émis : f = 8,8×10 2 Hz. Expliquer la démarche suivie pour obtenir cette valeur avec la plus grande précision possible. 1.2. Cette fréquence étant celle du mode fondamental, quelles sont les fréquences des harmoniques de rangs 2 et 3 ? ⋆⋆ ⋆⋆ 700 MB 4,7 GB 25 GB 8,5 GB 50 GB Capacité de Stockage en Bit Doc 3 : vitesse de la lumière dans le vide (et dans l’air) : c = 3,00×108 m.s-1 1. A propos du texte 1.1. Quel est le nom du phénomène physique limitant la capacité de stockage des disques ? 1.2. Calculer la valeur de la fréquence ν de la radiation utilisée dans la technologie blu-ray. 1.3. Comparer la longueur d'onde du laser blu-ray à celle des systèmes CD ou DVD. 1.4. Ce phénomène est responsable de l'irisation d'un CD ou d'un DVD éclairé en lumière blanche. Argumenter pour justifier l’existence de cette irisation. ⋆ ⋆⋆ ⋆ ⋆⋆ 2. Etude expérimentale. Doc 4 : On veut retrouver expérimentalement la longueur d'onde λD de la radiation monochromatique d'un lecteur DVD. On utilise pour cela le montage suivant : a étant le diamètre du fil, θ le demi- écart angulaire. D Ecran Laser DVD θ L 2.1.1. Etablir la relation entre θ, L (largeur de la tache centrale de diffraction) et D (distance entre le fil et l'écran). On supposera θ suffisamment petit pour considérer tan θ ≈ θ avec θ en radian. 2.1.2. Donner la relation entre θ, λD et a en indiquant l'unité de chaque grandeur. 2.1.3. En déduire la relation : λD = ⋆⋆ ⋆ J×K ⋆ L×M Doc 5 : Pour la figure de diffraction obtenue avec un laser « DVD », on mesure L = 4,8 cm. On remplace alors le laser « DVD » par le laser utilisé dans le lecteur blu-ray sans modifier le reste du montage, on obtient une tache de diffraction de largeur L' = 3,0 cm. 2.2. A partir de ces deux expériences, calculer la valeur de la longueur d'onde λD de la radiation ⋆⋆ monochromatique d'un lecteur DVD et la comparer au résultat de la question 1.3. III. Echolocation chez la chauvechauve-souris (RCO/APP/REA/ANA) 1. Propriétés des signaux 1.1. Qu’appelle-ton des ultrasons ? 1.2. Qu’est-ce qu’un son pur ? 1.3 1.3. Associer les signaux a, b et c du document 3 aux cris FC, FM et FC-CM des chauves-souris. Argumenter. 1.4 1.4. Les insectes les plus petits ne sont pas localisés par les chauves-souris. Proposer une explication et évaluer la taille minimale d’un insecte détectable par un signal de fréquence 30 kHz. 2. Détections des distances Une chauve-souris se déplace vers un mur, perpendiculairement à celui-ci, avec une vitesse égale à vcs (inférieure à la vitesse de propagation du son vson). Elle produit un signal lorsqu’elle se trouve à la distance D du mur et perçoit un écho au bout de la durée ∆t. 2.1. Donner l’expression de la distance, d, parcourue par la chauve-souris pendant la durée Δt, en fonction de vcs et Δt. 2.2. Donner l’expression de la distance, L, parcourue par le signal pendant la durée Δt, en fonction de vson et Δt. 2.3. Exprimer la distance, L, dont s’est propagé le signal entre l’émission et la perception de l’écho en fonction de D et d. 2.4. Déduire des questions précédentes, l’expression du retard en fonction de d, D, vcs et vson 2.5. Faire l’application numérique si D = 3,0 m et vcs = 6,0 m.s-1 3. Détections de la vitesse 3.1. Quel effet est à l’origine du phénomène évoqué dans la dernière phrase du document 1 ? 3.2. Lorsqu’une chauve-souris se déplace vers un mur, l’écho perçu a-t-il une fréquence plus grande ou plus faible que le signal émis ? 3.3. On propose deux expressions entre la fréquence perçue fa et la fréquence d’émission f pour une chauveQ UQ Q WQ et fa = RST VR ×f souris se dirigeant vers un mur : fa = RST VR ×f QRST WQVR ⋆ ⋆ ⋆⋆ ⋆⋆ ⋆ ⋆ ⋆ ⋆ ⋆ ⋆ ⋆ ⋆ QRST UQVR Laquelle de ces deux expressions doit-on retenir ? Argumenter. 3.4. Expliquer pourquoi les battements d’ailes d’un insecte peuvent provoquer des " variations de fréquence de l’écho par rapport au son émis". On supposera l’insecte (un papillon par exemple) perpendiculaire à la direction de déplacement de la chauve-souris. ⋆ ⋆⋆ /17 Doc 1 : Les chauves-souris se déplacent et chassent dans l’obscurité grâce à un système très perfectionné d’écholocation, elles émettent des signaux ultrasonores et en exploitent les échos. Doc 2 : Non seulement le sonar des chauves-souris leur Doc 3 : On classe les cris des chauves-souris en trois indique à quelle distance se trouve une proie ou un groupes : les émissions de fréquence constante (FC), les obstacle, mais il leur révèle également des détails précis émissions de fréquence modulée décroissante (FM) et les de cet objet. Du retard de l’écho par rapport aux sons émissions mixtes (FC-FM). Ces derniers commencent par qu’elles émettent, les chauves-souris déduisent la distance une émission assez longue de fréquence constante et et aux objets. En détectant les variations de fréquence de s’achèvent par une émission décroissante. Chez de l’écho par rapport au son émis, elles perçoivent la vitesse nombreuses chauves-souris, ces ultrasons ne sont pas relative d’un insecte en vol et la fréquence du battement purs mais composés d’une fréquence fondamentale et de de ses ailes. plusieurs harmoniques. D’après N.Suga, "le sonar des chauves-souris", Pour la Science, dossier n°32, juillet-oct 2001 Doc 4 : I /14 PHYSIQUE II /12 III /17 TOTAL /43