RPS et ASDS

 
 


RPS : résolution d'un problème scientifique (voir corrigé 4 p 104 pour une méthodologie)
ASDS : analyse et synthèse de documents scientifiques

Pour les RPS et ASDS issues des activités du cours, les corrigés ont été distribués ou bien sont disponibles en ligne plus bas avec les autres documents relatifs à l'activité.


Thème 1 : L'eau
T1A1 B : le carbone 14, un traceur océanique
T1A5 C : dosage des ions chlorure
T1A6 B : efficacité d'une carafe filtrante
T1A7 : les hydrates de gaz
T1A8 B : alimentation électrique de la navette spatiale

Thème 2 : Son et musique
1 p 80 (résolu) : nuisance sonore
3 p 83 : bonne utilisation d'un microphone
5 p 85 : directivité d'un haut-parleur
1 p 100 (résolu) : techniques de jeu au violoncelle
4 p 104 : instruments à vent
1 p 118 (résolu) : qualité sonore d'un auditorium
2 p 120 : écho créé par un mur de scène
4 p 121 : transformer un réfectoire en salle de spectacle
(surface chaise 1,0m² / d1 et d2 sont les dimensions d'une porte)
T2A1 C : positions des frettes de la guitare
T2A4 C : les enceintes
T2A5 B : la reconnaissance vocale
T2A6 A et C : sensibilité de l'oreille

Thème 3 : Matériaux
1 p 140 (résolu) : nickelage
3 p 143 : protection de l'aluminium par anodisation
4 p 143 : protection du fer par étamage
1 p 148 : conducteurs, semi-conducteurs, supraconducteurs (+ film sur la supraconductivité à télécharger)
2 p 150 : cellules photovoltaïques
3 p 161 : comment la colle colle-t-elle ?
T3A2 C : comment protéger la coque d'un bateau de la corrosion ?
T3A3 C : panneaux solaires et production électrique
T3A4 B : mode d'action des tensioactifs
T3A5 B : nanotubes de carbone


















THÈME 1 : EAU
programme officiel


 
 

Eau et Environnement


A1. Les océans et le climat (ne sera pas fait cette année)

énoncé (avec les documents en couleurs) + corrigé

La circulation thermohaline.


Modélisation de la circulation thermohaline au laboratoire.


Les courants marins redistribuent la chaleur sur la Terre : le Gulf Stream.



A2. Élevage de poissons en eau salée

fichiers disponibles :
           - corrigé du TP
           - corrigé LatisPro exploitation (clic-droit puis enregistrer sous) >>>

Rappels et compléments :
- écrire une 1/2 équation électronique associée à un couple oxydant/réducteur,
- les dilutions ,
- notion de tableau d'avancement : une analogie avec la fabrication de vélos,
- la notion d'équivalence : cas du dosage du diiode par les ions thiosulfate.


A3. TP évalué

corrigé




 

Eau et Ressources


A4. Le traitement des eaux (ne sera pas fait cette année)

corrigé

Une usine de potabilisation de l'eau :



A5. Dosage des ions chlorure dans une eau minérale

fichiers disponibles :
           - corrigé du TP
           - fichier LatisPro mesures (clic-droit puis enregistrer sous) >>>
           - corrigé LatisPro exploitation (clic-droit puis enregistrer sous) >>>

A6. Détermination de la dureté d'une eau

corrigé

Un site expliquant le principe des résines échangeuses d'ions et une animation (cliquer sur le lien "résine).


A7. Les hydrates de gaz

corrigé

L'augmentation de la température des océans pourraient rendre instable certains hydrates de gaz libérant des quantités importantes de méthane dans l'atmosphère. Le méthane est un gaz à effet de serre participant au réchauffement climatique : on pourrait alors observer un emballement climatique...


Première extraction sous-marine d'hydrate de méthane au large du Japon (mars 2013).


 

Eau et Énergie

A8. Les piles à combustibles

Le principe de fonctionnement d'une pile à combustible (animation CEA).


A9. Production de dihydrogène par électrolyse





THÈME 2 : SON & MUSIQUE
programme officiel


 
 

Instruments de musique



Les couleurs de l'orchestre : présentation de quelques instruments.
Le labo d'instruments, pour voir et écouter vos instruments préférés !


A1. Les frettes de la guitare


corrigé

Mise en évidence expérimentale des ondes stationnaires : excitation d'une corde avec le vibreur de Melde .

Pour comprendre l'apparition d'ondes stationnaires dans le cas de la guitare, cette animation présente la réflexion d'une onde selon certaines situations : animations 
           - "signal" + "un obstacle" : réflexion d'une onde sur un obstacle fixe,
           - "signal" + "deux obstacles" : réflexion d'une onde sur 2 obstacles fixes, périodicité égale à 2.L/v,
           - "sinusoïdal" + "un obstacle" : réflexion d'une onde sinusoïdale sur un obstacle fixe, on observe une onde sationnaire quelque soit la valeur de la fréquence,
           - "sinusoïdal" + "deux obstacles" : réflexion d'une onde sinusoïdale sur deux obstacles fixes, l'onde sationnaire n'existe que pour des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

Lorsque le musicien fait vibrer une corde de la guitare en la pinçant, il provoque une vibration que l'on peut considérer comme une superposition des différents modes propres avec des amplitudes adaptées. La vibration résultante de la corde et la somme algébrique de ces différents modes. Une animation pour le visualiser ici (P. Falstad) : cliquer sur "clear" et "pincer" la corde avec la souris. Le spectre de Fourier juste en dessous (harmonics magnitudes) présentent les modes harmoniques présents dans la vibration observée avec les amplitudes associées. Passer alors la souris sur chaque pic pour voir la contribution (en jaune) de chaque mode.

Des ondes stationnaires plus complexes peuvent aussi se former sur la caisse de la guitare.
On peut visualiser de telles ondes au laboratoire avec le dispositif suivant : une plaque carrée (plaque de Chladni) saupoudrée de sable, est reliée à un vibreur de Melde. On peut alors visualiser pour certaines fréquences des ondes stationnaires : les zones où s'accumule le sable correspondent aux noeuds de vibration alors que le sable est éjecté des ventres.


La physique du violoncelle : le violoncelle est un assemblage de plus de 60 pièces de bois différents. On distingue très nettement la facture d'un bel instrument à ses fréquences de résonances qui couvrent tout le spectre sonore de celle d'un instrument de piètre qualité qui se comportera comme une "crêpe". Une démonstration est faite avec plusieurs instruments d'âges différents. Un très bel exposé, par Pierre Encrenaz, professeur à l'Université Pierre et Marie Curie, sur la physique de cet instrument.



A2. La flûte à bec

Ondes stationnaires dans un tuyau : ventres et noeuds de vibration (F. Passebon).
Remarque : à un noeud de vibration des molécules d'air correspond un ventre de variation de la pression acoustique.

Ondes stationnaires longitudinales dans un tube : une façon spectaculaire de visualiser ces ondes est d'utiliser le tube de Ruben. C'est un tube perforé de trous et alimenté en gaz de ville qui permet de produire une ligne de flammes. Une onde sonore est émise à une extrémité par un haut-parleur. Pour certaines fréquences, une onde stationnaire longitudinale est obtenue. Elle comporte des noeuds et des ventres de pression. L'onde est donc visible par la taille des flammes (grandes pressions : grandes flammes).

Attention, cette expérience est très délicate à mettre en oeuvre et présente de réels dangers.

Une erreur s'est glissée dans la vidéo ci-dessous, saurez-vous la trouver ?

Sélectionnez les lignes ci dessous avec la souris entre << et >> pour voir la réponse :
<<
La distance entre deux ventres successifs de pression est de lambda sur deux et non de lambda bien sûr ! (longueur d'onde = wavelength)
>>



Le biseau de la flûte (Pour la Science)

Quelle forme donner aux instruments à vent ? (Pour la Science)




 

Émetteurs et récepteurs sonores


A3. Comment traiter numériquement un son ?

corrigé

Partie A


Partie B
Une animation pour simuler les différents filtres (G. Tulloue).

Partie C
La wah-wah est un effet modifiant "la qualité voyelle d'une note". Autrement dit, elle transforme un son "o" en "a" et inversement, produisant cet effet quasiment vocal.
Les premiers à avoir entrevu le potentiel de cet effet sont les trompettistes de jazz :
par exemple, "Sugar blues" de Clyde McCoy.
Puis il a pu être obtenu sur les guitares électriques grâce à des pédales à effets :
par exemple, "Voodoo Child" de Jimi Hendrix.

Le fichier "piano.mp3" sur lequel le filtre wah-wah va être appliqué.

Le logiciel Audacity est gratuit (déjà installé au lycée) et téléchargeable ici.

Pour déterminer la fréquence de la note jouée :
- les fréquences des notes du clavier d'un piano sont indiquées sur ce document.
- ou tableau des fréquences des notes pour la gamme tempérée.


A4. Haut-parleur et microphone électrodynamique

corrigé + fichier LatisPro

2 animations illustrant le principe de fonctionnement du microphone et du haut-parleur électrodynamique (animations réalisées par F. Canu et sciencesappliquees.com).


A5. La voix, de sa création à sa reconnaissance

corrigé

Le logiciel Audacity est gratuit (déjà installé au lycée) et téléchargeable ici.
Il existe aussi des applications pour smartphones qui permettent de tracer des spectrogrammes.

Partie A
Quand la musique rend sourd (Hear-it) : chaque année en France, on enregistre 200000 nouveaux cas d'acouphènes, dont 130000 concernent des jeunes ayant subi un traumatisme sonore. Sur ce même site, un petit test de votre audition dans un environnement bruyant.
Voir aussi l'animation : caractéristiques d'un son / fonctionnement de l'oreille.

Partie B

L'enregistrement "aochss3.mp3" (clic-droit sur le lien puis enregistrer sous).

et le document 9 en couleur.


A6. Sensibilité de l'oreille et choix d'un casque audio

corrigé

Partie A

Le bouton loudness de la chaîne à grand-papa.

Partie B
L'animation permettant de construire les courbes de Fletcher et Munson.

Partie C
Pour rechercher les caractéristiques de votre casque audio :
- headphones.com (à rechercher dans les menus selon le type de votre casque)
- lesnumeriques.com
Le site suivant explique comment comprendre son audiogramme.
Un exemple d'audiogramme d'une personne souffrant de surdité : tous les sons (bruits, phonèmes) situés au-dessus des courbes ne sont alors plus perçus. La zone de la parole est représentée en gris. Dès que les courbes coupent cette zone, il existe alors des difficultés pour comprendre une conversation puisque certains phonèmes ne sont plus identifiés.


 

Son et architecture

 

A7. Critères de qualité acoustique d'une salle

corrigé

Le logiciel Audacity est gratuit (déjà installé au lycée) et téléchargeable ici.

Partie A
Les enregistrements des réponses impulsionnelles des trois salles (clic-droit sur le lien puis enregistrer sous) : "IR1.mp3", "IR2.mp3" et "IR3.mp3".
L’absence de réverbération provoque un rendu sec et dur sur la musique : on recherche toujours une prolongation du son. Une bonne salle de musique présente une réverbération de 1,0 à 2,5 secondes. L’orgue nécessite une réverbération très importante, ce qui est bien le cas dans les églises et cathédrales. Exemple : "Toccata" joué dans la cathédrale d'York.
A l'opposé, dans une chambres sourde (ou anéchoïque) le temps de réverbération est nul.
Keiji Oguchi et Marc, conseillers en acoustique, expliquent leur démarche sur la conception de l’acoustique de la salle de la philharmonie de Paris (parc de la Vilette). Comment concevoir une salle dont l'acoustique pourra être adaptée à des orchestres symphoniques, des formations de jazz ou de musique du monde ? Une vidéo complète cet article en expliquant les spécificités des salles d'opéra et de concert symphonique.
Écho et réverbération
- "la" sans effet :

- "la" avec écho :

- "la" avec réverbération :



Partie B
Pour aller plus loin, une vidéo de Tristan Martin, consultant acousticien, qui nous explique (avec un petit accent québécois) comment adapter une salle pour la transformer en studio acoustique en réduisant son temps de réverbération. Il est ici expliqué que le temps de réverbération dépend de la fréquence (les calculs de la partie B ont été effectués avec des valeurs moyennes pour simplifier).









THÈME 3 : MATÉRIAUX
programme officiel


 
 

Cycle de vie

 

A1. La bauxite

corrigé
Document : historique de l'élaboration de l'aluminium.
L'aluminium et ses alliages comptent parmi les matériaux les plus importants pour la fabrication de profilés, de tubes et de tôles. L'aluminium est le métal le plus courant de l'écorce terrestre. Ne s'agissant pas d'un métal noble, on ne le retrouve cependant pas à l'état pur. La bauxite est à la base de la préparation de l'aluminium. Ce minerai rouge-brun est entre autres présent en Australie, en Guinée, au Brésil et en Jamaïque. La fabrication d'aluminium à partir de bauxite se fait en deux étapes : toutes les impuretés du minerai sont tout d'abord éliminées de manière à obtenir de l'alumine pure (oxyde d'aluminium). Le procédé d'électrolyse par fusion permet alors d'obtenir le métal.


L’accident de l'usine d’aluminium d'Ajka est survenu le 4 octobre 2010 en Hongrie. Un million de mètres cubes de boues rouges caustiques (pH > 12) se sont déversées, après la rupture d'un réservoir d'une usine d'aluminium. La toxicité à long terme de cette pollution est pour l'instant difficile à évaluer. Retour sur cet accident industriel et écologique :




A2. Corrosion

corrigé
Pour des installations plus grandes ou mal isolées par un revêtement de mauvaise qualité, les anodes sacrificielles peuvent ne pas délivrer suffisamment de courant pour une protection optimale. On utilise alors une protection cathodique à courant imposé : les anodes sont alors connectées à un générateur de courant continu permanent ou cyclique.



 

Structure et propriétés des matériaux

 

A3. Étude d'une cellule photovoltaïque

Métaux et isolants (tout est quantique) :
Dans la matière, les électrons se comportent comme des ondes quantiques piégés dans une boîte. Dans les métaux, l’empilement de leurs énergies permet à certains d’entre eux de se déplacer librement et de conduire le courant électrique. Dans les isolants, ce sont les mêmes électrons, mais cette fois, aucun n’a l’énergie pour pouvoir se déplacer facilement.


A4. Synthèse et propriétés d'un savon

corrigé
Un complément : les forces de Van der Waals et le Gecko (culturescience).
Une vidéo de Robert Full qui relate la découverte du mystère de l'adhésion du gecko dans son laboratoire : de l'importance de la curiosité et de l'imagination en sciences !
Pourquoi le savon nettoie-t-il et mousse-t-il ?




 

Nouveaux matériaux


A5. Nanomatériaux

corrigé

Partie A

Le logiciel Mesurim est disponible à cette adresse (inutile de de télécharger le "logiciel complet" : la version "mise à jour" suffit).
Les fichiers des gouttes d'eau sur une surface en (clic-droit sur le lien puis enregistrer sous) :
1- nanotubes de carbone
2- nanotube de silice
3- feuille de lotus
4- verre
5- peinture
6- téflon
7- verre + suie