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Vitesse de propagation d'un son dans un solide
mis à jour le 12/06/2012
Un protocole simple utilisant Atelier Scientifique (EXAO) pour mesurer et comparer des vitesses de propagation d'un son dans différents solides. Ce modèle a été mis en place en MPS faisant intervenir SVT et Physique-Chimie.
Il peut être adapté en 1ere pour l'étude de la propagation des ondes sismiques.
mots clés : son, onde, MPS, seconde, 1ère S, première S, onde sismique, EXAO, piézomètre
Nous cherchions un protocole permettant d'évaluer la vitesse de propagation d'un son (donc d'une onde) dans un solide.
Initialement, nous souhaitions réaliser un dispositif expérimental comme proposé sur le site de l'académie de Versailles.
Mais, nous ne possédons pas de carte son adaptée pour utiliser le logiciel Audacity.
Pour palier ce problème nous avons utilisé des piézomètres reliés à un système EXAO de marque différente.
Dispositif expérimental :
Console EXAO 4 avec 2 adaptateurs électrophysiologies (pour réflexe myotatique)
2 piézomètres
Un petit marteau
2 carrés de polystyrène
Logiciel Atelier scientifique, module généraliste.
Les piézomètres sont connectés aux adaptateurs sur les bornes positives (rouge) et négatives (jaune) et fixés sur une barre de fer, une baguette de bois ou un échantillon de roche par des élastiques.
Les carrés de polystyrène, placés sous l'échantillon, permettent d'éviter la propagation des ondes dans la table.
ATTENTION : pour obtenir des résultats probants et exploitables, il faut au minimum un échantillon de 40 cm (1 m étant l'idéal)
Paramétrer Atelier Scientifique :
Synchronisation : adaptateur électrophy
Niveau : 0.1 semble le plus adapté
mais on peut régler entre 0.05 et 0.2
Durée d'acquisition : entre 20 et 60 ms
Nombre de points : entre 900 et 5000 (1001 ici)
Exemple de Résultat :
Frapper sur le bord de l'échantillon avec le marteau est le plus adapté pour obtenir une onde se propageant au maximum dans l'échantillon et non dans la table.
On obtient 2 sinusoïdes décalées dont on peut calculer les fréquences ainsi que la vitesse de propagation de l'onde dans l'échantillon.
Avec l'outil pointeur, on obtient la différence de temps séparant les 2 tracés (dt). On peut alors estimer la vitesse de propagation de l'onde dans l'échantillon, puis comparer ces vitesses selon l'échantillon.
dt = 0.000211783 s
Distance entre les 2 piézomètres : 0.90 m
Vitesse de propagation :
Selon les essais, on trouve des vitesses allant de 2800 m.s-1 à 6400 m.s-1
La moyenne sur 10 essais est de 5252 m.s-1 ce qui est légèrement inférieur à la vitesse réelle d'un son dans le fer (environ 5950 m.s-1 ).
ATTENTION : le plus souvent, les résultats obtenus sont inférieurs à la réalité mais permettent de formuler des conclusions et de discuter sur des limites du modèle utilisé (température de l'échantillon, sa section, la précision des capteurs...)
Matériaux | Vitesse mesurée | Vitesse théorique |
Règle en bois de 1 m | 820 m.s-1 * | > 3000 m.s-1 |
Granite (échantillon de 40 cm) | 1900 m.s-1 | > 5000 m.s-1 |
Andésite (échantillon de 40 cm) | 2300 m.s-1 | > 6000 m.s-1 |
Barre en fer creuse de 1.80 m de long, 1 cm de diamètre | 1200 m.s-1 * |
* moyenne sur 10 essais
Autres pistes :
En plus de la nature des échantillons, nous avons fait varier leur diamètre ainsi que leur température. La difficulté pour cette dernière mesure est la taille de l'objet. Pour avoir des résultats probants, il faut un échantillon d'au moins 80 cm à 1 m de long, or, il ne rentrait pas dans notre congélateur.
Nicolas Aubry, professeur de SVT, Lycée Albert CAMUS, Nantes
contributeur(s) :Emilie Berton, professeur de Physique-Chimie, Lycée Albert CAMUS, Nantes
information(s) pédagogique(s)
niveau : 2nde, 1ère
type pédagogique : travaux pratiques
public visé : enseignant
contexte d'usage : atelier
référence aux programmes : MPS
1ère : Thème 1 - B La tectonique des plaques : l'histoire d'un modèle
fichier joint
information(s) technique(s) :
fichier atelier scientifique
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