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رقمنة الفيزياء والكيمياء
Exemples d'actions mécaniques
a- Activité. Compléter le tableau suivant :
| Action | Force de contact ou à distance | Force répartie ou localisée |
|---|---|---|
| Action d'une table sur un livre | Contact | Répartie |
| Action de la Terre sur la Lune | À distance | Répartie |
| Action d'un fil sur une boule | Contact | Localisée |
| Action d'un aimant sur le fer | À distance | Répartie |
| Action de l'air sur une voiture | Contact | Répartie |
a- Activité. La réaction R⃗ est la force résultante de toutes les actions exercées par le plan sur l'objet.
R⃗ est perpendiculaire au plan. R⃗ = R⃗_N (composante normale uniquement).
R = R_N , R_T = 0
Cas 2 — Contact avec frottement (surface rugueuse) :R⃗ = R⃗_N + R⃗_T = R⃗_N + f⃗ , avec f⃗ la force de frottement.
R = √(R_N² + R_T²) = √(R_N² + f²)
Coefficient de frottement : k = tan(φ) = R_T / R_N — φ est l'angle de frottement.SIMULATION — Réaction d'un plan : plan lisse vs rugueux, surface horizontale et inclinée
La force pressante F⃗ est la force de contact appliquée par un corps C₁ sur la paroi d'un corps C₂.
SIMULATION — Pression exercée par un cube sur un plan (horizontal et incliné)
Cours — Exemples d'actions mécaniques — 2 Bac Sciences Physiques · spbiof.blogspot.com
a- Activité. On éclaire une fente de largeur a variable par un faisceau laser. Sur un écran placé à une distance D, on observe un motif de diffraction.
b- Remarques.
d- Résumé. La lumière est une onde progressive sinusoïdale transversale électromagnétique (champ électrique + champ magnétique) se propageant dans les milieux matériels transparents et dans le vide. Elle présente une double périodicité :
a- Activité. On réalise la diffraction du faisceau laser rouge (λr = 633 nm) par des fentes de largeurs différentes à une distance D = 1,5 m :
| a (µm) | 100 | 120 | 200 | 250 | 300 |
|---|---|---|---|---|---|
| L (mm) | 18,9 | 15,8 | 9,5 | 7,6 | 6,3 |
| θ (×10⁻³ rad) | 6,33 | 5,26 | 3,17 | 2,53 | 2,10 |
| a·θ (m·rad) | 633×10⁻⁹ | 631×10⁻⁹ | 634×10⁻⁹ | 633×10⁻⁹ | 630×10⁻⁹ |
b- Remarques. On remarque que a·θ = cte = λ, donc :
θ = λ / a
L = 2·D·λ / a
SIMULATION — Diffraction lumineuse : tache centrale L en fonction de a et λ
n = c/V = λ₀/λ = c/(λ·γ) (n ≥ 1)
| Milieu | Vide | Air | Eau | Verre | Diamant |
|---|---|---|---|---|---|
| Indice n | 1,00 | ≈ 1,00 | 1,33 | 1,50 | 2,42 |
On envoie un faisceau laser sur la face d'un prisme. On appelle :
b- Remarques.
A : angle du prisme (au sommet), n : indice du prisme
Dans le spectre électromagnétique, la lumière visible se situe entre 400 nm et 800 nm dans le vide.
SIMULATION — Spectre visible et fréquences électromagnétiques
SIMULATION — Dispersion par un prisme : effet de n sur la déviation D
SIMULATION — Dispersion complète : lumière blanche dans un prisme
Cours — Propagation d'une onde lumineuse — 2 Bac Sciences Physiques
a- Activités. On branche deux microphones à un oscilloscope et on observe deux ondes sonores : (A) émise par un instrument de musique, (B) émise par un diapason.
b- Remarques.
Exemple : l'onde le long d'une corde ou à la surface de l'eau peut être périodique si la source a un mouvement périodique.
a- Activité. On fixe une extrémité d'une corde à la lame d'un vibreur animé d'un mouvement rectiligne sinusoïdal de fréquence ν = 100 Hz, l'autre extrémité plonge dans un bécher d'eau pour absorber l'onde. On éclaire la corde avec un stroboscope.
b- Remarques.
λ = V·T = V/ν
avec λ en mètres (m), V en m·s⁻¹, ν en Hz.
SIMULATION — Onde sinusoïdale : λ, T et déphasage entre deux points
Remarques :
On crée des ondes rectilignes dans une cuve à ondes, vitesse V = 1 m/s. On éclaire la surface avec un stroboscope de fréquence égale à celle des ondes (10 Hz) : tous les points paraissent immobiles. Deux plaques parallèles forment une fente de largeur a réglable.
L'onde incidente et l'onde diffractée ont la même longueur d'onde, la même fréquence et la même vitesse si le milieu de propagation n'est pas changé.
SIMULATION — Diffraction : effet de la largeur de fente a
Tableau des fréquences d'ondes à la surface de l'eau et longueurs d'onde correspondantes :
| ν (Hz) | 20 | 25 | 30 | 35 |
|---|---|---|---|---|
| λ (m) | 1 | 0,9 | 0,8 | 0,7 |
| V (m/s) | 20 | 22,5 | 24 | 24,5 |
On remarque que la vitesse de propagation d'une onde progressive périodique à la surface de l'eau dépend de la fréquence ν : l'eau est donc un milieu dispersif.
Exemples :
SIMULATION — Milieu dispersif : V en fonction de ν
Cours — Ondes mécaniques progressives périodiques — 2 Bac Sciences Physiques
Ondes mécaniques progressives pour 2 Bac Sciences Physiques
a- Activités. Trois expériences :
b- Remarques.
SIMULATION — Onde transversale vs longitudinale
a- Activité. On allume un téléphone puis on vide l'air d'une cloche à vide ; on frappe un diapason placé devant un pendule simple.
b- Remarques. Le son disparaît quand l'air est évacué ; le pendule s'écarte horizontalement quand le diapason vibre.
a- Dimension d'onde
b- Superposition de deux ondes mécaniques. Lorsque deux ondes se croisent, elles se superposent puis continuent à se propager après leur rencontre sans se perturber.
SIMULATION — Superposition de deux ondes
Deux cavaliers sont placés sur la corde tendue, en face de deux photocapteurs. Une masse marquée suspendue à l'extrémité de la corde, reposant sur une poulie, permet de régler la tension. Ce protocole permet de mesurer la vitesse de propagation d'une onde le long d'une corde et d'identifier les facteurs qui l'influencent.
v = d / Δt
avec d : distance parcourue par l'onde pendant la durée Δt.a- Effet de la forme de la perturbation. Pour SM = 15 m, on observe V₁ = V₂. La forme de la perturbation n'a pas d'effet sur la vitesse de propagation.
b- Effet de la tension de la corde. Pour T₁ = 2 N et T₂ = 0,2 N, on a V₁ ≠ V₂. Puisque T₁ > T₂ et V₁ > V₂ : plus la tension augmente, plus la vitesse de propagation augmente.
c- Effet de la masse linéique μ. μ = m / L (m : masse de la corde, L : sa longueur). Pour μ₁ = 100 g/m et μ₂ = 500 g/m, on a V₁ ≠ V₂. Puisque μ₂ > μ₁ et V₁ > V₂ : plus la masse linéique augmente, plus la vitesse de propagation diminue.
SIMULATION — Effet de la tension T et de la masse linéique μ sur la vitesse v
Une perturbation créée en S à l'instant t₀ = 0 s atteint un point M₁ à l'instant t₁, puis un point M₂ à l'instant t₂. M₂ répète le mouvement de M₁ avec un retard τ tel que :
τ = M₁M₂ / V
SIMULATION — Retard temporel entre deux points M1 et M2
| Mouvement d'un corps | Propagation d'une onde mécanique |
|---|---|
| Pendant le mouvement, la matière se déplace | Pendant le mouvement, l'énergie se transfère |
| Le mouvement s'effectue dans une trajectoire spécifique | L'onde se propage dans toutes les directions possibles |
| Peut être effectué dans le vide | Elle ne se propage pas dans le vide |
| La vitesse dépend des conditions initiales | La vitesse ne dépend pas des conditions initiales mais de la nature du milieu |
Cours — Ondes mécaniques progressives — 2 Bac Sciences Physiques
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