Expérience : calcul de la célérité du son
Dans l'air, dans l'eau et dans l'eau salée
Hypothèse : Le son se propage à une vitesse différente dans l'eau que dans l'air.
Nous calculerons le vitesse du son dans l'air puis dans l'eau.
Pour représenter la démarche de l’utilisation des ondes par les baleines ainsi que la vitesse du son, on utilisera le système du sonar.
Celui-ci consiste à envoyer une onde et de la recevoir après qu’elle ait rebondi sur un obstacle. On réalise cette expérience grâce à un émetteur qui envoie l’onde et un récepteur qui la reçoit.
Un oscilloscope est un appareil électronique qui est un instrument de mesure. En recevant les signaux des émetteurs/récepteur, il affichera deux courbes appelées oscillogrammes. Grâce à l’échelle du graphique et les oscillogrammes nous pourrons calculer la distance entre le récepteur et l’émetteur et ainsi la vitesse du son dans l’air, dans l’eau et dans l’eau salée.
Nous avons réalisé une première expérience pour déterminer une valeur relativement précise de la célérité du son dans l’air. Premièrement, nous avons installés un récepteur et un émetteur d’ondes à 20 centimètre de distance (0,2 m).
Photo 1 de l'expérience (dans l'air)
Grâce aux branchements avec l’oscilloscope (voir photos 1 et 2), nous avons pu déterminer le temps que met l’onde pour parcourir la distance qui sépare l'émetteur et le récepteur, qui était de 580 µs, soit 0,00058 s. Ainsi, grâce à la relation “ vitesse = distance / temps “, nous avons trouvé une célérité du son dans l’air d’environ 344 m/s.
Photo 2 de l'expérience (dans l'air)
Pour prouver que le son se déplace plus rapidement dans l’eau, nous allons tenter la même expérience avec un bac rempli d’eau. Enfin, nous ferons une dernière expérience dans de l’eau salée.
Nous disposons :
D’un bac rempli de 12L d’eau.
D’un récepteur et émetteur.
Des branchements nécessaire.
D'un générateur pour alimenter le récepteur.
D'un oscilloscope
Tout d’abord, on remplit un bac ouvert de 12L d’eau et on fait tous les branchements d’alimentation électriques nécessaires (on branche l’oscilloscope et on alimente le récepteur et l’émetteur grâce à un générateur).
Ensuite, on place l’émetteur et le récepteur, branchés à l’oscilloscope, au dessus du bac (à l'extrémité de l’eau). On aura le temps que met le son a mis à parcourir entre l’émetteur et récepteur (en rebondissant sur le fond du bac) affiché sur l’oscilloscope.
Nous avons désormais la distance et le temps du trajet que met le son entre l’émetteur et le récepteur.
Nous savons que:
V(vitesse)=d(distance)/t(temps)
De plus, nous avons :
d= 0,174m
t= 0,000120s
on trouve alors: V= 1450m/s
Nous rappelons que nous étudions la propagation des ondes sonores pour les baleines. Il paraît donc logique de faire une dernière expérience dans l'eau salée.
Nous tentons la même expérience avec cette fois une eau contenant une proportion de sel environ égale à celle présente dans l’eau de mer. On avait ajouté 12L d’eau dans le bac, donc il nous faut 420g de sel pour approcher la concentration de 35g de sel par kilogramme d’eau que l'on trouve en mer.
A présent :
d= 0,174m
t= 0,000115s
avec V(vitesse)=d(distance)/t(temps), on trouve V= 1513m/s
D’après notre expérience, la vitesse du son dans l’eau salée est donc d’environ 1513m/s.
Conclusion:
Nous avons vu, dans les expériences précédentes, que le son se propage à une vitesse plus élevée dans l’eau (salée) que dans l’air. Nous allons à présent généraliser ce phénomène dans une dernière partie.
Photo 3 de nos expériences : ajout de l'eau dans le bac
Photo 4 : Disposition de l'émmeteur et du récepteur
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Résumé de l'expérience sous forme de diaporama interactif. Cliquez sur les flèches pour naviguer entre les photos.