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CTP MV 4000 00003 Mode D'emploi

Collection pour l'étude des ultrasons
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Collection pour l'étude
des ultrasons
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Sommaire des Matières pour CTP MV 4000 00003

  • Page 1 Collection pour l’étude des ultrasons MV 4000 00003 Mode d’emploi Centre technique et pédagogique de l’Enseignement de la Communauté française Version 01...

  • Page 2: Table Des Matières

    Sommaire Introduction ........................Matériel de la collection .

  • Page 3: Introduction

    Introduction Les manipulations décrites dans ce fascicule sont destinées aux élèves de troisième année (niveau A), de quatrième année (niveau B) et de sixième année (cours à trois heures par semaine) de l’enseignement secondaire général. Nous avons choisi de travailler avec des ondes ultrasonores, de même nature que les ondes sonores, pour les raisons suivantes: 1.

  • Page 4: Matériel De La Collection

    Matériel de la collection 1. Un générateur de tension alternative rectangulaire* de fréquence 40 kHz ET 1200 23226. Figure 1 À Commutateur marche-arrêt. Á Commutateur permettant de produire des signaux rectangulaires soit en mode continu (position haute, voir figure 2), soit en mode pulsé, par salves successives (position basse, voir figure 3). Réglages: •...
  • Page 5 2. Quatre transducteurs piézo-électriques à ultrasons jouent, pour deux d’entre eux, le rôle d’émetteurs et, pour les deux autres, le rôle de récepteurs. Ces transducteurs sont insérés dans des supports cylindriques dont on peut dévisser les tiges moletées. Les cylindres rouges contiennent les émetteurs et les cylindres noirs les récepteurs. •...
  • Page 6 5. Une tablette support en bois munie de trois douilles (MV 4420 00002). Ces douilles sont destinées à fixer l’émetteur et le récepteur lors des manipulations 3, 4 et 8. 6. Une planche découpée en U et graduée (MV 4460 00002). Elle porte le ou les émetteur(s) et récepteur(s) lors de la manipulation 5.

  • Page 7: Manipulation 1

    Manipulation 1 Mesure de la fréquence des ondes ultrasonores 1. But Mesurer la fréquence du signal électrique émis par le générateur et celle du signal restitué par le récepteur recevant les ultrasons. 2. Principe Afficher simultanément deux signaux sur l’écran d’un oscilloscope double trace: d’une part, le signal rectangulaire émis par le générateur et donc appliqué...
  • Page 8 4. Schéma du montage Figure 1.1 5. Manipulation 1. Dévisser les tiges moletées des cylindres de l’émetteur et du récepteur, puis insérer ceux-ci dans les extrémités du tube et revisser les tiges moletées (sans serrer exagérément). 2. Connecter les fiches de l’émetteur aux bornes de sortie du générateur (mode continu), en respectant les couleurs des douilles et des fiches de raccordement (figure 1.1).
  • Page 9 6. Exploitation 1. À partir du nombre total d’oscillations occupant la largeur de l’écran de l’oscilloscope, déterminer la période puis la fréquence de chacun des signaux. 2. Comparer ces deux mesures. 7. Résultats et interprétation 1. À titre indicatif, voici un exemple d’oscillogramme obtenu: Réglages: •...
  • Page 10 Remarque: si l’on modifie la base de temps de l’oscilloscope, l’oscillogramme obtenu peut se présenter comme suit: Réglages: • base de temps: 5 ms/div • canal 1: 5 V/div mode AC • canal 2: 1 V/div mode AC Figure 1.3 T = 5 ´...

  • Page 11: Manipulation 2

    Manipulation 2 Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l’air 1. But Mesurer la célérité des ondes ultrasonores dans l’air et la comparer à celle des ondes sonores dans le même milieu et à la même température. 2. Principe Un émetteur envoie des ultrasons par rafales.

  • Page 12: Manipulation

    4. Schéma du montage Figure 2.1 5. Manipulation 1. Dévisser les tiges moletées des cylindres de l’émetteur et du récepteur, puis insérer ceux-ci dans les extrémités du tube et les revisser (sans serrer exagérément). 2. Réaliser le montage schématisé à la figure 2.1, le générateur étant utilisé en mode pulsé. Respecter les couleurs des douilles et des fiches de raccordement.
  • Page 13 6. Exploitation 1. À partir du tableau de mesures, tracer le graphique représentant la distance (d) parcourue en fonction de la durée (t). 2. Quelle est l’allure du graphique obtenu? Que peut-on en déduire? 3. Il est possible d’utiliser le graphique obtenu pour estimer la vitesse de propagation (ou célérité) des ultrasons.
  • Page 14 Le tableau ci-dessous reprend une série de résultats obtenus lorsque l’air a une température de 24°C. (ms) 0,30 0,90 0,35 1,05 0,40 1,20 0,45 1,35 0,50 1,50 0,55 1,65 0,60 1,80 0,65 1,95 0,70 2,10 0,75 2,25 0,80 2,40 0,85 2,55 0,90 2,70...

  • Page 15: Principe De Fonctionnement D'un Sonar

    Manipulation 3 Principe de fonctionnement d’un sonar 1. But Déterminer, à l’aide d’ondes ultrasonores, la distance séparant un obstacle d’un ensemble émetteur- récepteur. 2. Principe Un émetteur produit des ultrasons par rafales. Celles-ci sont réfléchies par un obstacle, puis captées par un récepteur.
  • Page 16 4. Schéma du montage Figure 3.1 5. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres émetteur et récepteur dans les colliers munis de fiches bananes. 2. Enficher les colliers ainsi garnis dans les deux douilles placées au bord de la tablette support. Le sonar* est ainsi surélevé...
  • Page 17 5. Mettre le générateur et l’oscilloscope sous tension. Veiller à ce que le déclenchement du balayage de l’oscilloscope se fasse sur le signal provenant du générateur. Mettre l’oscilloscope en mode Dual. 6. Régler la durée des rafales à sa valeur minimale et l’intervalle de temps qui les sépare à sa valeur maximale à...
  • Page 18 Remarque 1 On obtient les mêmes résultats sans amplificateur, mais la qualité de l’oscillogramme (canal 2) est médiocre (calibre 20 mV/div) comme le montre la photo ci-dessous. Réglages: • base de temps: 1 ms/div • canal 1: 5 V/div • canal 1: mode AC •...

  • Page 19: Absorption Des Ondes Ultrasonores Par Différents Matériaux

    Manipulation 4 Absorption des ondes ultrasonores par différents matériaux 1. But Mettre en évidence: • que tous les matériaux, à épaisseur constante, n’absorbent pas les ultrasons de la même façon; • qu’un matériau peut être transparent pour la lumière (onde électromagnétique) et absorbant pour les ultrasons (onde matérielle);...
  • Page 20 4. Schéma du montage Figure 4.1 5. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres de l’émetteur et du récepteur dans les colliers munis de fiches bananes. 2. Réaliser le montage schématisé à la figure 4.1, le générateur étant utilisé en mode continu. Respecter les couleurs des douilles et des fiches de raccordement.
  • Page 21 4. Choisir une base de temps de 10 ms/div. 5. Aligner soigneusement les cylindres de l’émetteur et du récepteur. 6. Mesurer, de pic à pic, l’amplitude du signal reçu sans matériau interposé entre l’émetteur et le récepteur. Noter la valeur mesurée. 7.
  • Page 22 2. À titre d’exemple, voici des résultats obtenus; N est le nombre de couches et U l’amplitude du signal. (mV) On observe que l’amplitude du signal transmis diminue à mesure que l’épaisseur de la mousse synthétique interposée augmente. L’amplitude du signal reçu n’est pas inversement proportionnelle à l’épaisseur du matériau interposé comme le montre les graphiques ci-dessous.

  • Page 23: Détermination De La Longueur D'onde Des Ondes Ultrasonores

    Manipulation 5 Détermination de la longueur d’onde des ondes ultrasonores 1. But Mettre en évidence la périodicité spatiale des ultrasons et calculer leur longueur d’onde. 2. Principe Un émetteur envoie des signaux ultrasonores vers deux récepteurs mobiles situés face à lui. Au départ, ces derniers sont situés côte à...
  • Page 24 4. Schéma du montage Figure 5.1 5. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres de l’émetteur et du récepteur dans les colliers munis d’une fiche banane. 2. Fixer, à l’aide du tournevis, le deuxième récepteur dans le collier vissé sur un socle de bois. Régler la position du cylindre de manière à...
  • Page 25 5. Mettre le générateur et l’oscilloscope sous tension. Veiller à ce que le déclenchement du balayage de l’oscilloscope se fasse sur le signal provenant du récepteur fixe. Mettre l’oscilloscope en mode Dual. 6. Ajuster la position du récepteur mobile de façon à obtenir les signaux en phase. 7.

  • Page 26: Réflexion Des Ondes Ultrasonores

    Manipulation 6 Réflexion des ondes ultrasonores 1. But Vérifier la loi de réflexion dans le cas d’ondes ultrasonores. 2. Rappel théorique ¨ Front d’onde: lieu géométrique des points vibrant en phase et avec la même amplitude. Dans le cas d’une source ponctuelle, les fronts d’onde sont sphériques. ¨...
  • Page 27 5. Schéma du montage Figure 6.1 6. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres émetteur et récepteur dans les colliers vissés sur les socles de bois. Régler la position des cylindres de manière à amener leur gorge à la verticale du bord des socles comme indiqué...
  • Page 28 14. Réaliser le montage schématisé à la figure 6.1, le générateur étant utilisé en mode continu. Respecter les couleurs des douilles et des fiches de raccordement. 15. Placer l’émetteur sur son socle à une vingtaine de centimètres de l’écran en l’orientant de façon telle que le faisceau émis arrive sur l’écran sous une incidence d’environ 30°.
  • Page 29 7. Exploitation Comparer les angles i et r. La loi de réflexion est-elle vérifiée? 8. Résultats À titre d’exemples, voici des résultats obtenus: i (°) r (°) 29,3 29,5 31,3 31,1 25,1 24,7 32,2 30,7 26,2 25,0 La figure 6.3 reproduit, à l’échelle 0,62, une des constructions réalisées. La loi de réflexion est vérifiée avec une approximation inférieure à...

  • Page 30: Mise En Évidence De L'effet Doppler

    Manipulation 7 Mise en évidence de l’effet Doppler 1. But Montrer que la fréquence du signal ultrasonore capté par un récepteur est liée au mouvement relatif de celui-ci par rapport à l’émetteur. 2. Principe Un récepteur situé face à un émetteur capte des ondes ultrasonores. Un fréquencemètre connecté aux bornes de ce récepteur mesure et affiche la fréquence des ondes qu’il reçoit.
  • Page 31 4. Schéma du montage Figure 7.1 5. Manipulation 1. Dévisser les tiges moletées des cylindres de l’émetteur et du récepteur, puis insérer ceux-ci aux extrémités du tube et revisser les tiges moletées (sans serrer exagérément). Ne pas caler le récepteur. 2.
  • Page 32 Caractéristiques des mouvements Fréquence de l’émetteur et du récepteur Émetteur fixe Récepteur fixe Émetteur fixe et Rapprochement de l’émetteur Lent récepteur en Rapide mouvement Éloignement de l’émetteur Lent Rapide Récepteur fixe et Rapprochement du récepteur Lent émetteur en Rapide mouvement Éloignement du récepteur Lent Rapide...
  • Page 33 7. Résultats et interprétation 1. On dit qu’il y a mouvement relatif de deux objets ponctuels A et B lorsque, dans un référentiel donné, la distance qui les sépare varie au cours du temps. Dans un référentiel lié à l’objet A, la vitesse de l’objet B est appelée vitesse relative de B par rapport à...

  • Page 34: Détermination De La Célérité Des Ondes Ultrasonores Dans Différents Matériaux

    Manipulation 8 Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans différents matériaux 1. But Calculer la célérité des ondes ultrasonores dans de la mousse synthétique et dans du polystyrène après avoir déterminé l’indice de réfraction (pour des ondes ultrasonores) de ces deux matériaux par rapport à...
  • Page 35 On définit l’indice de réfraction n d’un matériau par rapport à un autre (par exemple l’air) comme étant: v’ En remplaçant (4) dans (5), on a: = 1 + a 1 + a n = 1 + a a 3. Principe Un récepteur d’ultrasons placé...
  • Page 36 5. Schéma du montage Figure 8.1 6. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres de l’émetteur et du récepteur dans les colliers munis de fiches bananes. 2. Réaliser le montage schématisé à la figure 8.1, le générateur étant utilisé en mode continu. Respecter les couleurs des douilles et des fiches de raccordement.
  • Page 37 4. Choisir une base de temps de 5 ms/div. 5. Aligner soigneusement les cylindres de l’émetteur et du récepteur. 6. Mesurer, à l’oscilloscope, la période T des ondes reçues (exprimée en nombre de divisions de l’écran). Noter la valeur. 7. Placer l’écran de polystyrène contre le récepteur. Mesurer le déplacement d du signal reçu (exprimé en nombre de divisions de l’écran) ainsi que l’épaisseur e de l’écran et les noter.
  • Page 38 b) mousse synthétique: T = 5 divisions d = 1 division e = 2,1 cm = 0,2 345,12 40 000 n = 1 + 0,2 = 1,1 2,1 . 10 –2 2. Puisque v’ = , que la fréquence des ultrasons est de 40 kHz et que, d’après les tables, à la température de 23°C, la vitesse des ondes sonores est de 345,12 m/s, on a: a) polystyrène: 345,12...

  • Page 39: Mise En Évidence Du Phénomène D'interférence Des Ondes Ultrasonores

    Manipulation 9 Mise en évidence du phénomène d’interférence des ondes ultrasonores 1. But Montrer que, lorsque deux signaux interfèrent, certains points de l’espace reçoivent des signaux en phase ou en opposition; il en résulte que les amplitudes de ces signaux s’additionnent ou se soustraient et que la différence de marche par rapport aux deux sources est un nombre pair ou impair de demi- longueurs d’onde.
  • Page 40 4. Schéma du montage Figure 9.1...
  • Page 41 5. Manipulation 11. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres des émetteurs et du récepteur dans les colliers vissés sur les socles de bois. Régler la position des cylindres de manière à amener leur gorge à la verticale du bord du socle comme indiqué sur la figure 9.2.
  • Page 42 12. Déplacer très lentement le récepteur de telle manière que AB soit toujours confondu avec d’ et repérer le premier minimum m . Refaire les points 9 à 11 de la manipulation. 13. Continuer à déplacer le récepteur dans la même direction et repérer le deuxième maximum M Refaire les points 9 à...
  • Page 43 4. Vérifier, à partir du tableau, pour chaque position du récepteur correspondant à un ventre de vibration, si les signaux provenant des deux émetteurs sont en phase et si, pour chaque position du récepteur correspondant à un nœud de vibration, les signaux sont en opposition de phase. 7.

  • Page 44: Détermination De La Vitesse D'un Récepteur Par Effet Doppler

    Manipulation 10 Détermination de la vitesse d’un récepteur par effet Doppler 1. But Déterminer, en utilisant l’effet Doppler, la vitesse d’un récepteur en mouvement. 2. Principe Un émetteur fixe envoie des ondes ultrasonores. Celles-ci sont captées par deux récepteurs qui, au départ, sont placés côte à...
  • Page 45 4. Schéma du montage Figure 10.1 5. Manipulation 1. Fixer, à l’aide du tournevis, les cylindres de l’émetteur et des récepteurs dans les colliers vissés sur les socles de bois. 2. Placer les deux rails côte à côte. Y poser les trois chariots équipés des récepteurs et de l’émetteur comme indiqué...
  • Page 46 5. Choisir une base de temps de 5 ms/div afin de visualiser les battements. 6. Rapprocher lentement le récepteur 2 de l’émetteur, en essayant de maintenir sa vitesse constante. Observer le signal à l’oscilloscope. Répéter plusieurs fois l’opération pour déterminer le mieux possible la période T du phénomène de battement.
  • Page 47 3. D’après la formule de l’effet Doppler, lorsque le récepteur se rapproche de l’émetteur fixe, on a: v + v La température de l’air au moment de l’expérience étant de 23°C, les tables donnent une vitesse du son égale à 347,12 m/s. On a alors: 345,12 + v Mouvement lent: 40 025 = 40 000...

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