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dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME:  Diagnostic médical
  -  Seconde (Seconde (prog. 2010) )  -  Physique/Chimie

Activité 3: Effets de différents milieux sur la propagation des ondes sonores

 
Pour reproduire le principe d'une imagerie par échographie, on étudie dans cette activité l'effet de différents objets (différents "milieux") sur la propagation des ondes sonores.
3A- le bois comme obstacle…
On propose d'étudier dans un premier temps l'effet d'une plaque de bois.
•Placer l’émetteur et le récepteur côte à côte et face à la plaque en bois bien verticale placée à 20 cm.

•Cliquer sur « Démarrer l’acquisition » puis appuyer sur l’interrupteur poussoir.
•Imprimer l’enregistrement obtenu : une impression par personne.
Repasser sur les deux courbes avec deux couleurs différentes (comme dans l'activité 2, bleu pour le signal émis, rouge pour le signal reçu).
Cochez ci-dessous les cases qui vous paraissent appropriées en accord avec le résultat de cette expérience. Pour la compréhension des termes, s'aider éventuellement du modèle.
Avec la plaque de bois, les ultrasons sont
réfléchis  oui  non  on ne sait pas
absorbés oui non on ne sait pas
transmis oui non on ne sait pas
Pour chaque case "on ne sait pas" que vous avez cochée, proposer au moins une ou plusieurs expériences à réaliser pour pouvoir cocher oui ou non.
Décrire précisément la ou les expériences réalisées (éventuellement à l'aide d'un schéma), le ou les résultats obtenus puis l'interprétation.
3B – Changement de milieu
Mener des investigations expérimentales similaires pour répondre dans le cas de la mousse.
Avec la plaque de mousse, les ultrasons sont
réfléchis oui non on ne sait pas
absorbés oui non on ne sait pas
transmis oui non on ne sait pas

But: Effets de différents milieux sur la propagation des ondes sonores

Cette activité est la première d'une série de deux pour reproduire expérimentalement le principe d'une imagerie par échographie. Pour cela, après s'être familiarisé avec le matériel expérimental mettant en jeu des ondes ultra-sonores dans l'activité 2 précédente, les élèves placent côte à côte l'émetteur et le récepteur ultra-sonore comme dans la sonde d'un échographe.
On ne s'intéresse ici qu'à l'effet d'un changement de milieu sur la propagation des ondes ultra-sonores du point de vue des phénomènes d'absorption, de transmission et de réflexion. Ce sont ces phénomènes qui permettent de distinguer les différents milieux qui apparaissent lors d'une imagerie par échographie. Afin d'appréhender la signification des phénomènes derrière les termes absorption, transmission et réflexion les élèves disposent du §-3 du modèle "Effet d'un obstacle sur les ondes".
La possibilité de mesurer une distance par une méthode d'écho ultra-sonore afin de déterminer la "position d'un milieu" sera abordée lors de l'activité 4 suivante une fois les phénomènes précédents  étudiés expérimentalement.
Le lien entre le principe d'une imagerie par échographie et les résultats expérimentaux ainsi que les phénomènes étudiés lors des activités 3 et 4 sera véritablement effectué dans une activité 5 consacrée uniquement à l'établissement de ces liens.

Corrigé: Effets de différents milieux sur la propagation des ondes sonores

3A- le bois comme obstacle…


A l’aide de l’enregistrement réalisé, on observe que le récepteur reçoit des ultrasons, on peut donc en conclure que :

Avec la plaque de bois, les ultrasons sont

réfléchis x oui r non r on ne sait pas

absorbés r oui r non x on ne sait pas

transmis r oui r non x on ne sait pas

L’expérience précédente ne nous permet pas de conclure pour les cas absorbés et transmis.

Pour tester les cas indéterminés il faut envisager des expériences où seul un paramètre est modifié par rapport à l’expérience précédente ou celle de l’activité 2.

Cas de la transmission :

On se place dans les conditions de l’activité 2 : émetteur et récepteur à 40 cm l’un de l’autre pour toujours avoir la même distance de propagation. On place la plaque en bois entre l’émetteur et le récepteur à égale distance de ceux-ci pour conserver les distances de l’expérience initiale.

schéma à insérer

On réalise un enregistrement et l’on obtient : enregistrement à insérer.

Il n’y a pas d’onde ultrasonore reçue par le récepteur, on en déduit que les ultrasons ne sont pas transmis par la plaque en bois.

 

Cas de l’absorption :

Pour l’absorption, on peut comparer les enregistrements de l’activité 2 (sans réflexion) et la première expérience de l’activité 3 (avec réflexion). On observe que la courbe correspondant aux ultrasons réfléchis sur la plaque de bois a une amplitude plus faible que celle correspondant au même trajet dans l’air sans réflexion. Comme il n’y a pas de transmission à travers la plaque de bois, on peut en déduire que la diminution de l’amplitude observée en présence de la plaque de bois a pour origine l’absorption d’une partie des ultrasons par la plaque de bois.

3B – Changement de milieu

Avec la plaque de mousse, les ultrasons sont

réfléchis r oui x non r on ne sait pas

absorbés x oui r non r on ne sait pas

transmis x oui r non r on ne sait pas

Pour répondre à ces propositions on remplace la plaque de bois par une plaque de mousse.

Dans le cas émetteur et récepteur côte à côte, la courbe correspondant à la réception des ultrasons reste nulle. Il n’y a donc pas de réflexion.

Dans le cas de l’émetteur et du récepteur de par et d’autre de la plaque de mousse l’enregistrement présente une courbe non nulle pour le récepteur. Il y a donc transmission des ultrasons à travers la plaque.

Cette fois-ci comme il existe une transmission des ultrasons on peut proposer de tester l’absorption de ceux-ci. On interpose alors une épaisseur de mousse supplémentaire sur le trajet des ultrasons. On observe que l’amplitude de la courbe correspondant à la réception d’ultrasons a une amplitude plus faible. Ainsi toujours en l’absence de réflexion, on observe que plus la plaque de mousse est épaisse plus la transmission des ultrasons est faible en raison d’une plus grande absorption des ultrasons. On conclue donc que la plaque de mousse absorbe les ultrasons.

 

Préparation: Effets de différents milieux sur la propagation des ondes sonores

Pour cette activité il faut prendre soin d’éviter toute possibilité de réflexions ou de transmissions parasites en prenant soin par exemple:  d'éviter de travailler sur un rail ou un banc de mesure et de bien placer la plaque de bois au contact de la table pour éviter le passage des ultrasons sous celle-ci.

La mousse utilisée doit être peu compacte pour faciliter la transmission des ultrasons.

Comportement des élèves: Effets de différents milieux sur la propagation des ondes sonores

Les élèves disposent du §-3 « effet d’un obstacle sur les ondes » du modèle des ondes sonores et électromagnétiques qui ne semble pas leur poser de problème. Ils n’ont donc pas de difficultés pour donner du sens aux termes d’absorption, réflexion et transmission.

L’interprétation de la première expérience permettant de mettre en évidence le phénomène de réflexion des ultrasons sur la plaque de bois ne pose pas de problème dans l’ensemble.

Cependant certains élèves pensent que la réception d’ultrasons à pour origine la présence de l’émetteur juste à côté du récepteur. Ces élèves répondent alors « non » ou « je ne sais pas » à la proposition concernant la réflexion par la plaque de bois. Pour rejeter cet argument il suffit de renouveler l’expérience en retirant la plaque de bois et en évitant la présence de toute réflexion parasite pour observer sur un enregistrement l’absence de réception d’ultrasons.

Les élèves n’ont pas de difficultés particulières pour tester l’existence ou non d’une transmission d’ultrasons par le bois. Ils proposent facilement d’interposer la plaque de bois entre l’émetteur et le récepteur. Le choix d’une distance de 40 cm entre l’émetteur et le récepteur pour conserver un même trajet des ultrasons dans l’air n’est par contre pas évident pour tous les groupes.

En ce qui concerne l’absorption la proposition est plus délicate à tester. Certains groupes peuvent proposer de coller le récepteur à la plaque de bois. Mais le résultat n’est en général pas concluant.

 Des élèves peuvent faire remarquer que les diminutions d’amplitude pour les courbes correspondant au signal reçu doivent avoir pour origine la mauvaise directivité de l’émetteur d’ultrasons. Cette proposition est effectivement vraie mais n’est pas suffisante pour justifier les différences d’amplitudes observées. Pour remédier à cela il suffit de placer le récepteur tourné vers l’émetteur juste à côté de la plaque de bois. On observe alors une absence de réflexion cohérente avec une assez bonne directivité de l’émetteur d’ultrasons.