Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Comprendre les Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Dans cet exercice, nous allons explorer le phénomène des ondes stationnaires produites dans un fil sous tension à l’aide d’un vibreur de Melde.

Ce dispositif est utilisé pour étudier la relation entre la fréquence des ondes, la tension dans le fil et la masse linéique.

Données fournies:

  • Masse accrochée: \(m = 200\, \text{g}\)
  • Longueur du fil: \(L = 2\, \text{m}\)
  • Masse linéique du fil: \(\mu = 0.01\, \text{kg/m}\)
  • Fréquence du vibreur: \(f = 50\, \text{Hz}\)
Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Questions:

1. Calcul de la Tension dans le Fil:

Calculez la tension \(T\) dans le fil due à la masse suspendue. avec (\(g = 9.81\, \text{m/s}^2\)).

2. Calcul de la Vitesse des Ondes dans le Fil:

Utilisez la formule de la vitesse des ondes sur un fil tendu, pour déterminer la vitesse des ondes dans le fil.

3. Détermination de la Longueur d’Onde:

Calculez la longueur d’onde des ondes stationnaires dans le fil.

4. Identification des Modes de Vibration:

Determinez le nombre de ventres et de nœuds formés dans le fil pour la fréquence donnée, en considérant les conditions aux limites du fil.

5. Discussion:

Expliquez l’effet de la modification de la tension dans le fil ou de la fréquence du vibreur sur la formation des ondes stationnaires.

Correction : Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

1. Calcul de la Tension dans le Fil

Pour calculer la tension \( T \) dans le fil, nous utilisons la formule

\[ T = mg \]

où \( m \) est la masse suspendue et \( g \) est l’accélération due à la gravité.

En substituant les valeurs données :

  • Masse, \( m = 200 \, \text{g} = 0.2 \, \text{kg} \) (conversion de grammes en kilogrammes)
  • Accélération gravitationnelle, \( g = 9.81 \, \text{m/s}^2 \)

\[ T = 0.2 \, \text{kg} \times 9.81 \, \text{m/s}^2 \] \[ T = 1.962 \, \text{N} \]

La tension dans le fil est donc de \( 1.962 \, \text{Newton} \).

2. Calcul de la Vitesse des Ondes dans le Fil

La vitesse \( v \) des ondes dans le fil est donnée par la formule

\[ v = \sqrt{\frac{T}{\mu}} \]

où \( \mu \) est la masse linéique du fil.

En substituant les valeurs :

  • Tension, \( T = 1.962 \, \text{N} \)
  • Masse linéique, \( \mu = 0.01 \, \text{kg/m} \)

\[ v = \sqrt{\frac{1.962 \, \text{N}}{0.01 \, \text{kg/m}}} \] \[ v = \sqrt{196.2 \, \text{m}^2/\text{s}^2} \] \[ v = 14.01 \, \text{m/s} \]

La vitesse des ondes dans le fil est donc de \( 14.01 \, \text{m/s} \).

3. Détermination de la Longueur d’Onde

La longueur d’onde \( \lambda \) est liée à la vitesse des ondes \( v \) et à la fréquence \( f \) par la relation

\[ v = f \lambda \]

En substituant les valeurs :

  • Vitesse des ondes, \( v = 14.01 \, \text{m/s} \)
  • Fréquence, \( f = 50 \, \text{Hz} \)

\[ \lambda = \frac{v}{f} \] \[ \lambda = \frac{14.01 \, \text{m/s}}{50 \, \text{Hz}} \] \[ \lambda = 0.2802 \, \text{m} \]

La longueur d’onde des ondes stationnaires dans le fil est donc de \( 0.2802 \, \text{m} \).

4. Identification des Modes de Vibration

Pour identifier les modes de vibration, nous utilisons la longueur totale du fil \( L \) et la longueur d’onde \( \lambda \).

Le nombre de demi-longueurs d’onde qui peuvent s’adapter dans la longueur totale du fil est donné par

\[ n = \frac{L}{\frac{\lambda}{2}} \]

  • Longueur du fil, \( L = 2 \, \text{m} \)
  • Longueur d’onde, \( \lambda = 0.2802 \, \text{m} \)

Nombre de demi-longueurs d’onde:

\[ n = \frac{2 \, \text{m}}{0.2802 \, \text{m}/2} \] \[ n = \frac{2}{0.1401} \] \[ n \approx 14.28 \]

Le calcul donné indique que 14.28 demi-longueurs d’onde peuvent théoriquement être insérées dans le fil.

Cependant, étant donné que nous ne pouvons pas avoir un nombre fractionnaire de demi-longueurs d’onde dans une configuration physique réelle, nous devons arrondir ce nombre à un entier le plus proche qui satisfait les conditions aux limites d’un fil fixé aux deux extrémités.

Nombre de Modes

  • Nombre Entier de Demi-Longueurs d’Onde: Arrondi à 14.
  • Cela correspondrait à 7 longueurs d’onde entières, puisqu’une longueur d’onde complète comprend deux demi-longueurs d’onde.

Identification des Nœuds et des Ventres

  • Nombre de Nœuds: Un nœud se trouve à chaque extrémité et à chaque point où la demi-longueur d’onde se rencontre, donc 8 nœuds (comptant les deux extrémités).
  • Nombre de Ventres: Un ventre se trouve entre chaque paire de nœuds, donc 7 ventres.

5. Discussion

Modifier la tension dans le fil ou la fréquence du vibreur change la longueur d’onde des ondes stationnaires et donc les modes de vibration observés.

Une augmentation de la tension ou une réduction de la fréquence augmentera la longueur d’onde, permettant potentiellement plus de modes de vibration dans la même longueur de fil.

Inversement, une diminution de la tension ou une augmentation de la fréquence réduira la longueur d’onde, réduisant le nombre de modes possibles.

Ces effets montrent comment les propriétés physiques influencent directement les phénomènes ondulatoires.

Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

D’autres exercices de physique terminale:

Étude d’un Circuit RC

Étude d’un Circuit RC

Étude d'un Circuit RC Comprendre l'Étude d'un Circuit RC Dans un laboratoire de physique, un étudiant effectue une expérience pour étudier la charge et la décharge d'un condensateur dans un circuit RC (résistance-capacité). L'objectif est de déterminer le temps...

Chute libre sans résistance de l’air

Chute libre sans résistance de l’air

Chute libre sans résistance de l'air Comprendre la Chute libre sans résistance de l'air Dans un parc d'aventure, une plateforme de saut à l'élastique est installée à une hauteur de 50 mètres au-dessus d'une vallée. Avant d'autoriser les sauts commerciaux, les...

Étude du Mouvement sur Plan Incliné

Étude du Mouvement sur Plan Incliné

Étude du Mouvement sur Plan Incliné Comprendre l'Étude du Mouvement sur Plan Incliné Une caisse de masse \(m = 50\, \text{kg}\) est posée sur un plan incliné faisant un angle \(\theta = 30^\circ\) avec l'horizontale. Le coefficient de frottement statique entre la...

Période d’un pendule pesant

Période d’un pendule pesant

Période d'un pendule pesant Comprendre la Période d'un pendule pesant Dans un musée, une grande horloge à pendule est exposée. Le pendule consiste en une tige rigide, sans masse, fixée à un point fixe et à une masse ponctuelle à son extrémité. Pour maintenir...

Le Paradoxe des Jumeaux de Langevin

Le Paradoxe des Jumeaux de Langevin

Le Paradoxe des Jumeaux de Langevin Comprendre Le Paradoxe des Jumeaux de Langevin Le Paradoxe des Jumeaux, souvent attribué à Paul Langevin, est une expérience de pensée qui illustre les effets de la dilatation du temps prédite par la théorie de la relativité...

Onde Mécanique sur une Corde

Onde Mécanique sur une Corde

Onde Mécanique sur une Corde Comprendre le calcul d'Onde Mécanique sur une Corde Une corde tendue de longueur L = 20 m est fixée à une extrémité. À l'autre extrémité, elle est mise en oscillation par un dispositif produisant une onde sinusoïdale. On mesure une...

Calcul de la Célérité du Son

Calcul de la Célérité du Son

Calcul de la Célérité du Son Comprendre le Calcul de la Célérité du Son Lors d'une journée d'été, un groupe d'étudiants en physique décide de mesurer la vitesse du son dans l'air. Ils utilisent une méthode simple : l'un d'entre eux se place à une distance connue d'un...

Calcul de la perte de masse du Soleil

Calcul de la perte de masse du Soleil

Calcul de la perte de masse du Soleil Comprendre le Calcul de la perte de masse du Soleil Le Soleil, une étoile de type spectral G2V, est la source principale de lumière et d'énergie de notre système solaire. Au cours de sa réaction de fusion nucléaire, le Soleil...

Lancement oblique d’un projectile

Lancement oblique d’un projectile

Lancement oblique d’un projectile Comprendre le Lancement oblique d’un projectile Un athlète lance une balle depuis le sol avec une vitesse initiale inclinée par rapport à l’horizontale. On néglige les frottements de l’air. Le mouvement s’effectue dans un plan...

0 commentaires

Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *