| Microscopes électroniques, acoustiques et autres |
Lycée
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Séance de TP cours proposée
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Fiche professeur
Objectifs
- Faire découvrir aux élèves les propriétés des ultrasons à partir d'expériences simples qu'ils réalisent.
- L’objectif final est de pouvoir faire comprendre aux élèves l’utilisation des propriétés des ultrasons en échographie et, pourquoi pas, dans le domaine de la microscopie acoustique.
Prérequis
Ce TP nécessite :
– d’avoir déjà étudié le principe de fonctionnement de l’oscilloscope ;
– d’avoir effectué un TP de manipulation de l’oscilloscope ;
– d’avoir mis en évidence les ultrasons à l’oscilloscope.
Matériel
Pour chaque binôme :
– un générateur d’ultrasons ;
– un émetteur et un récepteur d’ultrasons ;
– un oscilloscope ;
– une plaque métallique ;
– un grand rapporteur sur papier, une grande règle.
Déroulement du TP cours
Fiche élève imprimable
I. Expérience révélant la directivité des ultrasons
Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.
Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope.
Déplacer le récepteur d'ultrasons sur un arc de cercle dont le centre est l'émetteur et observer à l'oscilloscope.
Prendre la peine de bien régler l’oscilloscope du point de vue sensibilité. Demander au professeur de vérifier.
Comment varie le signal donné par le récepteur pendant ce déplacement ? Conclure.
Proposition de réponses
Observation
La tension détectée est maximale lorsque le récepteur se situe sur l'axe de l'émetteur. La tension reste constante dans un cône étroit : – 5° < a < + 5°, tandis qu'elle diminue rapidement dès que a dépasse 8 degrés.
Conclusion
Un faisceau d'ultrasons est directif.
II. Expérience pour étudier la propagation et l’absorption des ultrasons dans l’air
Placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre et collés l’un contre l’autre.
Éloigner progressivement le récepteur de l’émetteur le long de l’axe de l’émetteur.
1. Observer comment varie la réception du signal dans l’air pendant l’éloignement du récepteur (penser à modifier la sensibilité de la voie B de l’oscilloscope en conséquence).
2. Évaluer la distance minimale pour laquelle le récepteur ne détecte plus les ultrasons émis par l'émetteur.
3. Quelle(s) conclusion(s) cette expérience permet-elle de tirer sur la propagation et la réception des ultrasons dans l’air ?
4. Les ultrasons sont utilisés pour mesurer la profondeur des fonds sous-marins (sonar).
Ils sont également utilisés en échographie prénatale grâce à la présence du liquide amniotique entourant le fœtus.
Quelle hypothèse peut-on émettre quant à la propagation des ultrasons dans les liquides ?
Proposition de réponses
La réception détectée décroît rapidement quand le récepteur s’éloigne de l’émetteur : les ultrasons sont rapidement atténués.
L’air absorbe beaucoup les ultrasons.
Les ultrasons sont moins absorbés par les liquides que par l’air.
III. Expérience mettant en évidence la réflexion des ultrasons
1. Placer côte à côte et dans le même sens l'émetteur et le récepteur d'ultrasons. Observer.
2. Tourner légèrement le récepteur pour qu'il fasse un petit angle avec l'émetteur. Observer.
3. Ajouter une plaque métallique face aux deux transducteurs. Observer.
4. Dans quel cas le récepteur détecte-t-il un signal ? Conclure.
Proposition de réponses
Le récepteur ne détecte un signal qu'en présence d'une plaque métallique placée devant les deux transducteurs (si la sensibilité de l’oscilloscope est bien réglée).
Les ondes ultrasonores ont donc été réfléchies sur l'écran métallique pour pouvoir atteindre le récepteur.
IV. Expérience pour étudier la réflexion des ultrasons
Faire pivoter l'écran métallique placé devant les deux transducteurs pour détecter la position de l'écran qui permet d'obtenir une amplitude maximale de l'onde détectée. Observer l’évolution de la mesure de l’angle d’incidence et celle de la mesure de l’angle de réflexion.
Proposition de réponses
Conclusion : la mesure de l’angle d’incidence devient sensiblement égale à la mesure de l’angle de réflexion.
On énonce avec les élèves les deux lois de Descartes sur la réflexion.
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