Visualiser expérimentalement la propagation d'une onde mécanique
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- Produire une perturbation mécanique et visualiser sa propagation.
- Réaliser les exemples d’une onde sonore, d’une onde à la surface de l’eau, d’une onde le long d’une corde, d’une onde le long d’un ressort.
- Une onde mécanique progressive est une perturbation qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel.
- Une onde mécanique est caractérisée par sa dimension qui peut être égale à un, deux ou trois.
- Les ondes le long d’une corde ou d’un ressort sont des ondes à une dimension : on visualise leur propagation directement, si besoin à l’aide d’une caméra.
- Une onde à la surface de l’eau est une onde à deux dimensions : on visualise sa propagation grâce à une cuve à ondes.
- Une onde sonore est une onde à trois dimensions : on visualise sa propagation par un système de capteurs reliés à un système informatique d’acquisition des données.
- La perturbation d’un milieu matériel
- La célérité d’une onde (vitesse de propagation)
Une perturbation qui se déplace le long d’une corde ou qui se déplace le long d’un ressort est une onde mécanique à une dimension.
Pour visualiser la propagation d’une onde mécanique à une dimension, on peut filmer à l’aide d’une webcam puis ensuite réaliser un traitement image par image.
Propagation d’une perturbation le long d’un ressort
On constate que l’onde se propageant dans le ressort est une onde longitudinale car la direction de la perturbation est parallèle à la direction de la propagation.
Si la direction de la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation, l’onde mécanique est une onde transversale.
Le traitement informatisé des images permet par exemple de déterminer la célérité de l’onde (sa vitesse de propagation) le long de la corde.
Propagation d’une perturbation le long d’une corde
Le début de la perturbation (appelé aussi
front de l’onde), mesuré à
partir de la chronophotographie, parcourt ici une
distance 
= 0,50 m entre
l’instant 
= 0,25 s et
l’instant 
= 0,50 s.
On peut ainsi calculer la célérité de l’onde :
m·s−1
Les vagues à la surface de l’eau constituent des ondes mécaniques à deux dimensions.
On peut visualiser leur propagation grâce à une cuve à ondes.
Cuve à ondes pour l’étude de la propagation des ondes
On observe une série de cercles concentriques sombres et lumineux. Les crêtes des vagues sont repérées par des cercles sombres et les creux des vagues par des cercles lumineux.
Les ondes générées sont
périodiques et on leur associe une
fréquence 
en hertz (Hz) qui est égale
au nombre de vagues générées par
seconde. Cette fréquence est aussi égale
à l’inverse de la
période 
exprimée en seconde (s).
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avec :
|
Le stroboscope est un dispositif qui délivre des flash lumineux périodiques, caractérisés par leur fréquence. On obtient l’immobilité apparente des ondes à la surface de l’eau si la fréquence du stroboscope est un multiple de la fréquence des ondes.
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|
avec :
|
la fréquence des flash
lumineux, en hertz (Hz)
la fréquences des ondes
mécaniques, en hertz (Hz)
un nombre entier, sans
unité
Obtenir l’immobilité apparente des ondes sur la cuve à ondes permet de déterminer la fréquence de ces ondes. Il faut augmenter progressivement la fréquence du stroboscope : la plus petite fréquence pour laquelle on obtient l’immobilité apparente permet d’obtenir la fréquence des ondes.
Le son est une onde à trois dimensions. On associe aux ondes sonores une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Pour visualiser la propagation d’un son, on utilise des microphones reliés à des systèmes informatisés de traitement des données.
Dispositif pour enregistrer une onde sonore
En disposant des microphones à différentes distances de l’émetteur d’un son bref, on peut alors visualiser la propagation de l’onde sonore générée.
Signal enregistré par différents microphones
La mesure de la durée 
mise par l’onde sonore pour aller de
l’émetteur au récepteur nous permet
de calculer la célérité de
l’onde sonore.
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|
avec :
|
la vitesse de l’onde
sonore, en mètre par seconde
(m·s−1)
la distance parcourue par
l’onde sonore,
en mètre (m)
- Microphone 1 :
m·s−1
- Microphone 2 :
m·s−1
- Microphone 3 :
m·s−1
Il faut penser à convertir la distance : 1 cm = 1 × 10−2 m.
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