I.011Enoncé du TP2

I.1. La propagation du son:

Rappel: Deux aspects de la propagation peuvent être étudiés : le milieu où le son se propage (c’était l’objectif de la séance précédente) et la façon dont il se propage.

I.1.1. Expérience 1 : Tambourins

Remarque: Le tambourin 1 peut être tenu à la main. Dans ce cas, ne pas oublier de faire la contre-expérience: un petit déplacement du tambourin 1, sans frapper, n’entraîne pas le déplacement du pendule .

Question:

Expliquez ce qui passe dans l’air pour que la petite boule en contact avec le tambourin 2 se mette à sauter quand on frappe le tambourin 1.

L’air entre les deux tambourins vibre et entraîne la vibration du tambourin 2.On n’attend pas ici une explication détaillée. L’idée à faire émerger est celle d’une propagation de l’information vibratoire grâce à l’air.

I.1.2 Expérience 2 : Bougie(s) devant un haut-parleur

Un haut-parleur est alimenté par un GBF: on fait varier la fréquence du GBF de 0 à 2000 Hz tout en maintenant l’amplitude constante.

Quelle que soit la fréquence, la membrane du haut-parleur vibre

Remarque: L’oreille est sensible de 20Hz à 20000Hz, le maximum de sensibilité se situe autour de 1000Hz.

Question:

A partir de quelle fréquence du GBF entendez-vous un son ?011 environ 25Hz;

Information : Pour des fréquences inférieures à cette fréquence limite, on parle d’infrasons, ils sont inaudibles, car l’oreille humaine n’est pas sensible aux ’basses’ fréquences.

Il n’est pas vraiment utile d’insister à ce stade sur le terme d’infrasons. Le concept sera revu plus en détail lors de l’étude de l’oreille. Une discussion peut s’engager éventuellement sur la distinction faite entre sons, infrasons, et ultrasons. Bien qu’on essaie ici de réserver le terme de son à ce qui est audible, on est conscient que dans le langage courant on pourra parfois parler de sons inaudibles, lorsque l’on veut insister sur la nature physique unique de toutes les ondes acoustiques. Le physicien considère bien sûr, ,en ce sens, les infrasons et les ultrasons comme des cas particuliers de sons (c’est aussi le cas dans la définition d’un son par l’Encyclopédie Universalis), le modèle commun à tous ces “ objets ” étant l’onde sonore. Ces choix de vocabulaire nous paraissent ici relativement mineurs, même si, insistant sur l’aspect perceptif comme point de départ de l’apprentissage du son, nous considérerons, en tous les cas par écrit, de réserver le terme de son aux ondes sonores perceptibles par l’oreille.

Par contre il paraît important de préciser que si l’on n’entend rien à ’basse’ fréquence (guillemets pour préciser la relativité de cette dénomination...), c’est bien du fait de l’oreille et non du fait de la nature de la vibration ou du comportement de la membrane du haut-parleur.

Placez la (ou les) bougie(s) allumée(s) devant la membrane d’un haut-parleur reliée à un GBF. Faire varier la fréquence du générateur de 0 à une fréquence correspondant à un son.

Questions :

Nommer le milieu de propagation du son en jeu dans cette expérience 011 l’air

• Qu’observez-vous et qu’entendez-vous à très basse fréquence et à fréquence plus élevée ?
  La flamme de la bougie est animée d’un mouvement de va et vient similaire à celui de la membrane du HP;
  quand le mouvement est visible, le son est inaudible; quand le son devient audible, le mouvement est trop rapide pour être visible.

• Pour une fréquence donnée (entre 3Hz et 4Hz par exemple), vérifier, en comptant les aller-retours de la flamme puis de la membrane du haut-parleur, que la flamme vibre à la même fréquence que la membrane.
  Même si on ne prend pas le temps de faire les mesures, il est essentiel de remarquer que, lorsqu’on peut voir la flamme vibrer, cette vibration se fait bien à la même fréquence que la vibration de la membrane. Ceci pourra être réinvesti lorsque l’élève sera amener à commenter le film sur l’interprétation microscopique (voir plus loin). Cette expérience avec la bougie est un des rares moyens de faire le lien entre la vibration de l’émetteur et la vibration du milieu de propagation, elle doit être exploitée au maximum.

• Pouvez-vous en déduire la façon dont se comporte le milieu de propagation quand un son est émis par le haut-parleur ?
  Le milieu de propagation vibre, il y a mouvement de va et vient de l’air

I.1.3 Interprétation microscopique de la propagation du son dans l’air ( ou dans un gaz)

Le film présenté donne des éléments pour interpréter plus précisément la propagation du son dans l’air ou dans un gaz.

Prévoir deux visionnements du film:

Après le premier, les élèves répondent aux questions par groupe de 2 et éventuellement sur transparent pour permettre l’échange et la discussion entre groupes.

2ème visionnement: le professeur propose ses réponses.

Travail à la maison: utilisez ce modèle microscopique pour interpréter l’expérience des deux tambourins.

Questions:

• Faire un schéma représentant la propagation du son dans un gaz.

• Décrire le mouvement d’une molécule du gaz lors de la propagation du son.

• Lors de la propagation du son dans un gaz y a-t-il transport de matière de l’émetteur au récepteur ?

Expliquez votre réponse

On pourra faire prendre conscience à l’élève que le phénomène est identique que le son soit audible ou non; la seule différence est liée à la vitesse du mouvement de va et vient c’est à dire à la fréquence d’alimentation du HP.

Toutes les molécules sont “ bousculées ” les unes après les autres par leurs voisines mais elles reprennent leur place et aucune ne fait le déplacement complet depuis la source de bruit (l’émetteur) jusqu’à l’oreille ( le récepteur): il n’y a pas transport de matière. C’est la vibration qui est transmise d’un endroit à un autre: on dit que la vibration se propage.

I.2. Le mouvement de la membrane du haut-parleur : relation entre la fréquence de vibration de la membrane et la fréquence de la tension du GBF.

L’objectif de ce paragraphe est d’établir la relation d’égalité entre la fréquence de vibration de la membrane et la fréquence de la tension du GBF. Le stroboscope est l’outil pour atteindre cet objectif; le professeur décidera s’il y a lieu d’aller plus loin (en insistant sur l’efficacité de cet outil pour observer tout phénomène périodique ’rapide’)..

Se méfier de l’évidence apparente qui pourrait résulter d’une confusion: jusqu’à ce stade de l’enseignement, les élèves ont essentiellement abordé la notion de périodicité pour les phénomènes électriques (tensions variables); le mouvement de la membrane comme mouvement périodique a été vu (rapidement) au cours du TP précédent mais la seule mesure a été faite à l’oeil nu (mouvement trés lent) et aucun lien n’a été fait avec la fréquence du GBF.

Au delà de la vérification expérimentale de f HP = f GBF (qu’un grand nombre d’élèves considère à ce stade comme évidente), cette séquence est surtout l’occasion de renforcer l’idée de la fréquence de vibration liée à la perception auditive.

I.2.1 Quelques observations à l’oeil nu -

Expérience 1: Observation à l’oeil nu de la membrane du haut-parleur.

On fait varier la fréquence de la tension d’alimentation du GBF: Observons la membrane pour différentes valeurs de cette fréquence.

Questions:

• La membrane du haut-parleur se comporte-t-elle différemment quand on entend le son et quand on ne l’entend pas?
  On cherche ici à vérifier si l’information donnée lors de l’expérience de la bougie est bien assimilée

• Pourquoi la membrane apparait-elle floue au delà d’une certaine fréquence?

Information   : L’observation à l’oeil nu ne permet pas de suivre un mouvement rapide. Ce fait est dû au phénomène de persistance des sensations visuelles. L’oeil ne peut distinguer 2 images que si elles sont séparées dans le temps par une durée d’au moins 1 / 10 s. Dans le cas contraire, on a l’impression d’un phénomène continu.

Expérience 2. Observation à l’oeil nu d’un disque avec secteur coloré, animé d’un mouvement de rotation uniforme:

Décrire et interpréter vos observations

I.2.2 Dispositif permettant d’analyser un mouvement rapide

L’idée n’est pas de faire ici une étude complète des phénomènes mettant en jeu un ou des effets stroboscopiques. La stroboscopie n’est vue ici que comme un moyen de mesurer la fréquence de la membrane lorsqu’on ne peut pas la suivre à l’oeil nu. Quelques développements sur la stroboscopie pourront être vus dans le cours qui suit le TP.

Expérience : Observation du disque éclairé avec un stroboscope.

En faisant varier la fréquence des éclairs, observer les différents cas possibles: immobilité du secteur, plusieurs secteurs immobiles, mouvements ralentis.

On peut donner une définition du stroboscope.

Questions:

Pour quelles fréquences obtient-on un secteur immobile?

Si on laisse d’abord réfléchir l’élève, on discute ensuite du principe de l’analyse stroboscopique et on explique pourquoi on peut voir un disque immobile. Selon le niveau de la classe et l’intérêt manifesté par les élèves, le professeur décidera s’il y a lieu d’approfondir à ce stade les notions de stroboscopie. Les mouvements ralentis apparents pourront être interprétés plus tard.

Information : La fréquence de rotation du disque est égale à la fréquence maximale des éclairs permettant d’observer l’immobilité.

Quelle est la valeur de la fréquence de rotation du disque? Quelle est sa période?

I.2.3 Détermination de la fréquence de vibration de la membrane du H.P.

Expérience

En éclairant la membrane avec le stroboscope, vérifier que la période des éclairs est égale à la période de la tension électrique lorsque la membrane apparaît immobile.

Le stroboscope est relié au GBF; le générateur alimentant le H.P. ( G.B.F. ou 6V/ 12V-50Hz) est relié à l’oscilloscope, voie B.

Questions récapitulatives : ( à la maison éventuellement)

• Expliquer la phrase : le haut-parleur est un transducteur électroacoustique

• Comparer ce qu’il se passe au contact tambourin1-air et ce qu’il se passe au contact air-tambourin2. Retrouver dans les expériences du TP1 une situation comparable à l’un ou l’autres des cas.

Le retour sur l’expérience 1 en cette fin de TP se justifie si le travail est à faire à la maison: l’élève doit maintenant disposer du recul nécessaire pour être en mesure de fournir une interprétation à la fois macroscopique et microscopique cohérente; si le temps disponible est suffisant, cette interprétation peut être demandée dès la fin du ß2, après la deuxième projection du film ; ceci reste donc à l’entière décision du professeur.

On peut considérer ces deux questions comme se rapportant chacune à l’un des deux objectifs du TP:

Le modèle microscopique de la propagation

La fonction de transducteur du haut-parleur avec passage de la notion de fréquence du domaine de l’électricité (étudié depuis le début de l’année) à celui de l’acoustique ( la fréquence de la vibration acoustique est une notion fondamentale pour la suite du cours).

Enfin on peut penser que la deuxième question renforce la conception éronnée ’l’air se déplace’. C’est en fait ici l’occasion de rendre explicite cette conception pour les élèves chez qui elle existe. Le professeur ne la détectera que mieux et cette situation sera l’occasion d’en discuter