Mécanique - LD Didactic
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1. D 0606 Brn M canique Etude des ondes Propagation des ondes la surface de l eau Objectifs exp rimentaux LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Excitation d ondes la surface de l eau circulaires et rectilignes E Excitation d ondes la surface de l eau circulaires avec l excitateur d ondes circulaires E Excitation d ondes la surface de l eau rectilignes avec l excitateur d ondes rectilignes E Observation des mouvements de l eau dans une onde et comparaison avec la propagation des ondes E Mesure de la longueur d onde d une onde la surface de l eau pour diff rentes fr quences d excitation f et calcul de la vitesse d ondes v M Mesure de la vitesse de propagation Vgr d un paquet d ondes Principes de base Les relations g n rales valables pour les ondes peuvent tre d montr es ais ment dans le cas des ondes la surface de l eau puisque celles ci sont observables l oeil nu et quasiment bi dimensionnelles Les termes de base concernant la propaga tion des ondes comme front d ondes direction de propagation paquet d ondes nergie de transport vitesse des ondes vitesse de propagation ondes rectilignes ondes planes et ondes circulaires peuvent ainsi tre introduits de mani re pratique Les ondes la surface de l eau sont produites dans une cuve ondes remplie d eau dont le fond est compos d une plaque en verre Les vibrations d une membrane dans l2. Pour gt 1 7 cm l acc l ration de la pesanteur est pr pond rante on parle d ondes de gravit La vitesse d onde augmente avec la longueur d onde Pour lt 1 7 cm la tension superficielle est pr pond rante on parle d ondes de capillarit La vitesse d onde diminue lorsque la longueur d onde augmente En raison de la dispersion d crite la vitesse de phase v et la vitesse de propagation vgr sont diff rentes La dispersion du domaine tudi 1 7 cm est toutefois si faible que l on peut consid rer que la vitesse de phase et la vitesse de propagation sont gales L quation I ne donne des r sultats exacts que pour une profondeur d eau suffisante Dans de l eau peu profonde de profondeur h la vitesse d onde des ondes de gravit est donn e par la relation v Stam 2 11 LEYBOLD DIDACTIC GMBH Leyboldstrasse 1 D 50354 H rth Phone 02233 604 0 Telefax 02233 604 222 e mail info leybold didactic de by Leybold Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved
3. appareil d alimen tation sont transmises la surface de l eau par changements de pression atmosph rique au moyen d excitateurs d ondes Si l on claire la cuve ondes avec une lampe ponctuelle les cr ts d ondes qui se comportent comme des lentilles convergen tes produisent des lignes claires sur l cran les creux d ondes qui se comportent comme des lentilles divergentes produisent des lignes sombres Un clairage stroboscopique est synchro nis avec le g n rateur de fr quence de la membrane d excita tion pour la repr sentation d une image fixe Fig 1 Propagation des ondes la surface de l eau photos En haut ondes circulaires En bas ondes rectilignes P1 6 4 1 Mat riel 1 cuve ondes avec stroboscope moteur 401 501 1 chronom tre 313 031 311 77 en compl ment Liquide vaisselle boules de polystyr ne diam 1 mm env ou copeaux de papier ontage Le montage exp rimental est repr sent en fig 2 monter la cuve ondes sur une surface stable se r f rer au mode d emploi de la cuve ondes R alisation a b Production d ondes circulaires relier un excitateur d ondes circulaires voir fig 3 r gler la fr quence 20 Hz avec le bouton e et augmenter doucement l amplitude d excitation avec le bouton d jus qu apparition de fronts d ondes nets voir le mode d emploi de la cuve ondes ventuellement sortir le disque stroboscopique de la march
4. e des rayons l aide de la vis molet e f de mani re ce que la plaque de verre au fond de la cuve ondes soit totalement clair e ventuellement faire varier la profondeur d immersion l aide de la vis de r glage h1 brancher le stroboscope avec l interrupteur a pour ob server les ondes stationnaires Apr s un bref temps de d marrage ventuellement refaire le r glage fin de la syn chronisation de la fr quence de l excitateur et du strobos cope avec le bouton b jusqu obtention d une image d onde stationnaire r gler diff rentes fr quences d excitation entre 10 et 80 Hz et observer les images d ondes Refaire le r glage de la synchronisation et de l amplitude si n cessaire Production d ondes rectilignes brancher l excitateur d ondes rectilignes selon la fig 4 r gler la fr quence 20 Hz et augmenter doucement l am plitude d excitation jusqu apparition de fronts d ondes nets voir le mode d emploi de la cuve ondes ventuellement sortir le disque stroboscopique de la marche des rayons de mani re ce que la plaque de verre au fond de la cuve onde soit totalement clair e brancher le stroboscope pour observer les ondes station naires Apr s un bref temps de d marrage ventuellement refaire le r glage fin de la synchronisation de la fr quence de l excitateur et du stroboscope jusqu obtention d une image d ondes stationnaires r gler diff ren
5. itateur si n cessaire sortir le disque stroboscopique de la marche des rayons tourner le bouton d amplitude d enti rement vers la gauche Veiller ce que l excitateur d ondes soit en contact avec l eau sur toute sa longueur et que les fronts d ondes produits soient visibles sur le marquage pour l excitation d une onde unique c activer simul tan ment le chronom tre et le bouton mesurer le temps tque met le paquet d ondes pour parcourir la distance s Calculer la vitesse de propagation Exemple de mesure et exploitation Deux photographies avec exemples de mesure sont repr sen t es en Fig 1 Tableau longueur d onde et vitesse d onde v d ondes la surface de l eau en fonction de la fr quence d excitation f LEYBOLD Fiches d exp rience de physique Fig 2 Montage exp rimental pour l excitation d ondes circulaires interrupteur du stroboscope bouton r glage fin de la fr quence du stroboscope bouton poussoir excitation d ondes uniques bouton r glage de l amplitude de l excitation d ondes bouton r glage de la fr quence de l excitation d ondes vis molet e rotation manuelle du disque stroboscopique cran d observation e O 9 Fig 3 Raccord d un excitateur d ondes circulaires h1 vis de r glage r glage de la profondeur d immersion Fig 4 Raccord d un excitateur d ondes rectilignes h2 vis de
6. r glage r glage de la profondeur d immersion R sultats Les ondes g n r es par un excitateur ponctuel se propagent de mani re radiale avec les fronts d ondes circulaires Les ondes g n r es par un excitateur rectiligne se propagent de mani re rectiligne avec les fronts d onde rectilignes perpen diculaires la direction de propagation L amortissement entra ne une diminution continue de l ampli tude Le contraste de l image d onde diminue lorsque la distance l excitateur augmente La propagation d onde n est pas un ph nom ne o de l eau est transport e mais est soumise des oscillations C est l nergie d oscillation qui est transport e Pour des fr quences comprises entre 10 et 80 Hz la longueur d onde diminue lorsque la fr quence augmente La vitesse de propagation v d un paquet d ondes est conforme la vitesse d onde calcul e partir de la fr quence et de la longueur d onde selon la pr cision des mesures P1 6 4 1 Information compl mentaire Pour les ondes la surface de l eau la force de r pulsion agissant sur une particule d eau en oscillation meilleur pouvoir rotatif est d termin e par l acc l ration de la pesanteur et par la tension superficielle La vitesse de phase v ou vitesse d onde d pend de la longueur d onde v g 1 g acc l ration de la pesanteur o tension superficielle p den sit
7. tes fr quences d excitation entre 10 et 80 Hz et observer les images d ondes Refaire le r glage de la synchronisation et de l amplitude si n cessaire LEYBOLD Fiches d exp rience de physique c Observation du mouvement de l eau dans une onde et comparaison avec la propagation des ondes d brancher le stroboscope sortir le disque stroboscopique de la marche des rayons si n cessaire pour diff rentes fr quences d excitation introduire quelques boules de polystyr ne ou copeaux de papier puis observer leur position et la comparer la propagation des ondes d Mesure de la longueur d onde I pour diff rentes fr quences d excitation f et calcul de la vitesse d on des v brancher le stroboscope et produire une image d ondes fixe par synchronisation mesurer l cart entre deux fronts d ondes sur l cran g Tenir compte de l chelle d affichage pour d terminer la longueur d onde r elle voir le mode d emploi de la cuve ondes r gler diff rentes fr quences d excitation entre 10 et 80 Hz et mesurer les longueurs d onde comme indiqu en haut calculer les vitesses d ondes v X f correspondantes la longueur d onde mesur e et la fr quence choisie e Mesure de la vitesse de propagation vgr d un paquet d ondes pour mesurer la vitesse de propagation Vgr placer un tiroir de recouvrement en tant que marquage sur la plaque de verre 20 cm de l exc
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