Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Exercice : Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Étude des Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Contexte : L'expérience du Vibreur de MeldeDispositif de laboratoire permettant de générer des ondes mécaniques à une fréquence constante sur une corde tendue..

L'expérience de Melde est un montage classique en physique pour étudier le phénomène des ondes stationnaires sur une corde. Une extrémité de la corde est attachée à un vibreur (qui oscille à une fréquence fixe), tandis que l'autre passe par une poulie et est tendue par une masse suspendue. L'onde progressive générée par le vibreur se propage, se réfléchit à l'extrémité fixe (la poulie), et interfère avec l'onde incidente. Pour certaines valeurs de tension, l'interférence est constructive et un régime d'onde stationnaire, caractérisé par des fuseauxSections de la corde vibrant avec une amplitude maximale, situées entre deux nœuds consécutifs., apparaît. Cet exercice vise à exploiter des mesures expérimentales pour déterminer la fréquence du vibreur.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à analyser des données expérimentales pour vérifier un modèle théorique. Vous mobiliserez les relations fondamentales des ondes (célérité, longueur d'onde, fréquence) dans le contexte spécifique des ondes stationnaires.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre le principe de formation d'une onde stationnaire sur une corde.
  • Savoir exploiter la condition d'existence d'une onde stationnaire (\(L = n \cdot \lambda/2\)).
  • Appliquer la relation de la célérité d'une onde sur une corde tendue (\(v = \sqrt{T/\mu}\)).
  • Déterminer une grandeur physique (fréquence) à partir de mesures indirectes.

Données de l'étude

On réalise une expérience de Melde avec une corde de longueur vibrante \(L\) et de masse linéique \(\mu\) connues. On fait varier la masse \(m\) suspendue à l'extrémité de la corde et on note le nombre \(n\) de fuseaux qui apparaissent.

Schéma du montage expérimental
Vibreur Poulie m n fuseaux L
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Longueur de la corde vibrante \(L\) 1,20 m
Masse linéique de la corde \(\mu\) 0,500 g/m
Intensité de la pesanteur \(g\) 9,81 N/kg
Résultats expérimentaux
Masse suspendue \(m\) (g) Nombre de fuseaux \(n\)
20,0 5
31,3 4
55,6 3
125,0 2

Questions à traiter

  1. Pour la première mesure (\(m = 20,0\) g), calculer la tension \(T\) de la corde.
  2. Pour cette même mesure, déterminer la longueur d'onde \(\lambda\) de l'onde stationnaire.
  3. À partir des résultats précédents, calculer la célérité \(v\) de l'onde se propageant sur la corde.
  4. En déduire la fréquence \(f\) du vibreur. Justifier pourquoi cette valeur est supposée constante pour toute l'expérience.
  5. Vérifier la cohérence de la fréquence \(f\) trouvée en utilisant les données de la dernière mesure (\(m = 125,0\) g). Conclure.

Les bases sur les Ondes Stationnaires

Une onde stationnaire résulte de l'interférence de deux ondes de même fréquence et de même amplitude se propageant en sens opposés. Sur une corde de longueur \(L\) fixée aux deux extrémités, un régime d'ondes stationnaires ne peut s'établir que si la longueur de la corde est un multiple entier d'une demi-longueur d'onde.

1. Condition de stationnarité
Pour qu'une onde stationnaire s'établisse sur une corde de longueur \(L\) avec \(n\) fuseaux, il faut que : \[ L = n \frac{\lambda}{2} \] Où \(n\) est un entier non nul (le nombre de fuseaux) et \(\lambda\) est la longueur d'onde.

2. Célérité sur une corde
La célérité (ou vitesse) \(v\) d'une onde se propageant sur une corde dépend de sa tension \(T\) (en Newtons) et de sa masse linéique \(\mu\) (en kg/m) : \[ v = \sqrt{\frac{T}{\mu}} \]


Correction : Étude des Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

Question 1 : Calculer la tension T de la corde pour m = 20,0 g.

Principe

La tension de la corde est la force qui la tend. Dans ce montage, elle est assurée par le poids de la masse suspendue. Le poids est la force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur la masse. À l'équilibre, la force de tension exercée par la corde sur la masse compense exactement le poids de cette dernière.

Mini-Cours

Selon le principe fondamental de la statique (qui est un cas particulier de la première loi de Newton), si un objet est immobile, la somme vectorielle des forces qui s'exercent sur lui est nulle. Ici, la masse est soumise à deux forces : son poids \(\vec{P}\), vertical vers le bas, et la tension de la corde \(\vec{T}\), verticale vers le haut. L'équilibre s'écrit \(\vec{P} + \vec{T} = \vec{0}\), ce qui implique que les normes des deux forces sont égales : \(T = P\).

Remarque Pédagogique

Pour tout problème de mécanique, le premier réflexe doit être de faire un bilan des forces. Isoler le système (ici, la masse \(m\)), et dessiner toutes les forces extérieures qui s'appliquent sur lui. Cela clarifie immédiatement la situation et mène directement à l'équation à résoudre.

Normes

Les calculs sont menés dans le cadre de la mécanique Newtonienne. Toutes les grandeurs physiques doivent être exprimées dans le Système International d'unités (SI) pour garantir la cohérence des formules : la masse en kilogrammes (kg), l'intensité de la pesanteur en N/kg (ou m/s²), et la force en Newtons (N).

Formule(s)

Relation Poids-Masse

\[ P = m \cdot g \]

Condition d'équilibre

\[ T = P \]
Hypothèses

Pour ce calcul, nous posons les hypothèses suivantes :

  • La masse de la corde est négligeable devant la masse suspendue.
  • La poulie tourne sans frottements.
  • Le système est à l'équilibre statique.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Masse suspendue\(m\)20,0g
Intensité de la pesanteur\(g\)9,81N/kg
Astuces

Pour une estimation rapide, on peut utiliser \(g \approx 10\) N/kg. Le poids d'un objet de 20 g serait alors d'environ $0,02 \times 10 = 0,2$ N. Cela permet de vérifier l'ordre de grandeur du résultat final et de détecter une éventuelle erreur de conversion.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des forces sur la masse \(m\)
mTP
Calcul(s)

Conversion de la masse

\[ \begin{aligned} m &= 20,0 \text{ g} \\ &= 20,0 \times 10^{-3} \text{ kg} \end{aligned} \]

Calcul de la tension

\[ \begin{aligned} T &= m \cdot g \\ &= 0,0200 \text{ kg} \times 9,81 \text{ N/kg} \\ &= 0,1962 \text{ N} \\ &\Rightarrow T \approx 0,196 \text{ N} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Forces à l'équilibre
mT=0.196NP=0.196N
Réflexions

La force de tension est de 0,196 N. C'est une force relativement faible, équivalente au poids d'environ 20 grammes (ou 20 mL d'eau). C'est cohérent avec le matériel léger utilisé en laboratoire pour ce type d'expérience.

Points de vigilance

L'erreur principale est l'oubli de la conversion des grammes en kilogrammes. Si on avait utilisé \(m=20\), le résultat aurait été 1000 fois trop grand ! Toujours vérifier l'homogénéité des unités avant tout calcul.

Points à retenir

Pour une masse suspendue via une poulie idéale, la tension de la corde est égale au poids de la masse. La formule clé est \(T = m \cdot g\), avec \(m\) en kg.

Le saviez-vous ?

L'unité de force, le Newton (N), a été nommée en l'honneur d'Isaac Newton. Un Newton est défini comme la force nécessaire pour accélérer une masse d'un kilogramme de un mètre par seconde au carré (1 N = 1 kg·m/s²).

FAQ
Résultat Final
La tension de la corde pour une masse de 20,0 g est d'environ 0,196 N.
A vous de jouer

Quelle serait la tension de la corde si on utilisait une masse de 50,0 g ?

Question 2 : Déterminer la longueur d'onde \(\lambda\) pour cette même mesure.

Principe

Le concept physique clé est la condition de résonance ou de stationnarité sur une corde fixée à ses deux extrémités. Pour que l'onde stationnaire puisse exister et être stable, la longueur de la corde vibrante (\(L\)) doit être un multiple entier du nombre de demi-longueurs d'onde. Chaque "fuseau" que l'on observe correspond précisément à une demi-longueur d'onde.

Mini-Cours

Une onde stationnaire est le résultat de l'interférence entre une onde incidente et son onde réfléchie. Les points immobiles sont les nœuds et les points vibrant avec une amplitude maximale sont les ventres. La distance entre deux nœuds consécutifs est toujours \(\lambda/2\). Comme la corde est fixée à ses deux extrémités (le vibreur et la poulie agissent comme des points fixes), ces extrémités sont nécessairement des nœuds. Pour \(n\) fuseaux, il y a \(n+1\) nœuds, et la longueur totale \(L\) contient exactement \(n\) fois la distance entre deux nœuds, soit \(n \times (\lambda/2)\).

Remarque Pédagogique

Visualisez les fuseaux. Si vous voyez 1 fuseau, la corde fait une seule arche, ce qui correspond à une demi-longueur d'onde. Si vous en voyez 2, la corde contient deux arches, soit une longueur d'onde complète. L'astuce est de se rappeler : 1 fuseau = \(\lambda/2\). La formule générale \(L = n \cdot \lambda/2\) en découle naturellement.

Normes

Ce principe est une application directe de la théorie des ondes et des interférences. Il n'y a pas de "norme" réglementaire, mais une loi physique fondamentale. Les unités doivent être cohérentes : si \(L\) est en mètres (m), \(\lambda\) sera également en mètres.

Formule(s)

Condition de stationnarité

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

Expression de la longueur d'onde

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

On suppose que les extrémités de la corde (côté vibreur et côté poulie) sont des nœuds de vibration parfaits, ce qui est une très bonne approximation du montage réel.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Longueur de la corde vibrante\(L\)1,20m
Nombre de fuseaux observés\(n\)5(sans unité)
Astuces

Pour éviter les erreurs de calcul, calculez d'abord le numérateur (\(2 \times L\)) avant de diviser par \(n\). Cela simplifie le calcul mental ou sur la calculatrice et réduit les risques d'erreurs de saisie.

Schéma (Avant les calculs)
Mode n=5
λ/2
Calcul(s)

Calcul de la longueur d'onde

\[ \begin{aligned} \lambda &= \frac{2 \times L}{n} \\ &= \frac{2 \times 1,20 \text{ m}}{5} \\ &= \frac{2,40 \text{ m}}{5} \\ &\Rightarrow \lambda = 0,480 \text{ m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Dimensions du mode n=5
L = 1.20 mλ/2 = 0.24 m
Réflexions

Le résultat \(\lambda = 0,480\) m (soit 48 cm) est une dimension physique plausible pour une expérience de laboratoire. C'est une longueur d'onde visible à l'œil nu, ce qui est attendu for ce type d'onde mécanique.

Points de vigilance

Attention à ne pas confondre la longueur de la corde \(L\) et la longueur d'onde \(\lambda\). Sauf pour le mode à 2 fuseaux (\(n=2\)), ces deux grandeurs sont différentes. Ne pas non plus oublier le facteur 2 dans la formule.

Points à retenir

La relation fondamentale pour les ondes stationnaires sur une corde de longueur L est \(L = n \cdot (\lambda/2)\). Elle permet de lier une caractéristique macroscopique (la longueur de la corde) à une caractéristique de l'onde (sa longueur d'onde).

Le saviez-vous ?

Le même principe de résonance s'applique aux instruments de musique à cordes (guitare, violon, piano). La longueur de la corde et sa tension déterminent les "modes propres" de vibration, c'est-à-dire les fréquences (les notes) que l'instrument peut produire.

FAQ
Résultat Final
La longueur d'onde de l'onde stationnaire est de 0,480 m.
A vous de jouer

Quelle serait la longueur d'onde si on observait seulement 3 fuseaux (\(n=3\)) sur la même corde ?

Question 3 : Calculer la célérité v de l'onde sur la corde.

Principe

La célérité (vitesse de propagation) d'une onde sur une corde ne dépend pas de la forme de l'onde (sa fréquence ou sa longueur d'onde) mais uniquement des propriétés physiques du milieu de propagation. Pour une corde, ce sont sa tension et sa masse par unité de longueur (masse linéique). Une corde plus tendue ou plus légère propagera l'onde plus rapidement.

Mini-Cours

La tension \(T\) agit comme une force de rappel qui tend à ramener tout élément de la corde à sa position d'équilibre. Plus cette force est grande, plus l'accélération de retour est importante, et plus la perturbation se propage vite. La masse linéique \(\mu\) représente l'inertie de la corde : plus elle est grande, plus la corde est "difficile" à mettre en mouvement, ce qui ralentit la propagation de la perturbation. La relation \(v = \sqrt{T/\mu}\) traduit mathématiquement cet équilibre entre force de rappel et inertie.

Remarque Pédagogique

Il est crucial de comprendre que la célérité est une propriété intrinsèque du milieu. Dans cet exercice, chaque fois que l'on change la masse suspendue, on change la tension, et donc on change la célérité de l'onde sur la corde. C'est ce changement de célérité qui permet d'obtenir différents modes de résonance (nombre de fuseaux) pour une même fréquence imposée par le vibreur.

Normes

La formule de la célérité est une loi fondamentale de la physique des ondes. Pour qu'elle soit homogène, les unités du Système International sont indispensables : \(T\) en Newtons (N, soit kg·m·s⁻²), \(\mu\) en kg/m. Le rapport \(T/\mu\) est alors en m²/s², et sa racine carrée est bien en m/s, l'unité d'une vitesse.

Formule(s)

Formule de Taylor pour la célérité

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

On suppose que la corde est parfaitement flexible, que son diamètre est constant (donc \(\mu\) est uniforme) et que les oscillations sont de faible amplitude pour que la tension reste constante pendant le mouvement.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension de la corde\(T\)0,1962N
Masse linéique de la corde\(\mu\)0,500g/m
Astuces

Avant de prendre la racine carrée, vérifiez l'ordre de grandeur du rapport \(T/\mu\). Ici, c'est environ $0.2 / 0.0005 = 400$. La racine carrée de 400 est 20. Cela donne une excellente estimation du résultat attendu (\(\approx 20\) m/s) et permet de s'assurer qu'on n'a pas fait d'erreur de conversion.

Schéma (Avant les calculs)
Propagation d'une impulsion sur la corde
v
Calcul(s)

Conversion de la masse linéique

\[ \begin{aligned} \mu &= 0,500 \text{ g/m} \\ &= 0,500 \times 10^{-3} \text{ kg/m} \end{aligned} \]

Calcul de la célérité

\[ \begin{aligned} v &= \sqrt{\frac{T}{\mu}} \\ &= \sqrt{\frac{0,1962 \text{ N}}{0,500 \times 10^{-3} \text{ kg/m}}} \\ &= \sqrt{392,4} \text{ m/s} \\ &\Rightarrow v \approx 19,81 \text{ m/s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Propagation d'une impulsion à vitesse calculée
v ≈ 19.8 m/s
Réflexions

Une vitesse de 19,8 m/s (environ 71 km/h) est une vitesse de propagation typique pour une onde sur une corde dans des conditions de laboratoire. Ce résultat est cohérent avec les ordres de grandeur habituels.

Points de vigilance

La principale source d'erreur est la conversion d'unités de la masse linéique \(\mu\). Utiliser la valeur en g/m au lieu de kg/m donnerait un résultat erroné d'un facteur \(\sqrt{1000} \approx 31,6\). Pensez toujours à l'homogénéité de vos formules.

Points à retenir

La célérité d'une onde sur une corde est gouvernée par la relation \(v = \sqrt{T/\mu}\). Elle dépend du milieu (tension, masse linéique), pas de l'onde elle-même.

Le saviez-vous ?

Les musiciens accordent leurs instruments à cordes (guitare, violon) en ajustant la tension. En tournant une cheville, ils augmentent ou diminuent \(T\), ce qui change la célérité \(v\). Comme la longueur \(L\) de la corde est fixe, la fréquence fondamentale \(f = v/(2L)\) change, ce qui modifie la hauteur de la note produite.

FAQ
Résultat Final
La célérité de l'onde sur la corde est d'environ 19,8 m/s.
A vous de jouer

En utilisant la tension calculée dans le "A vous de jouer" de la question 1 (pour \(m=50,0\) g), quelle serait la nouvelle célérité de l'onde ?

Question 4 : En déduire la fréquence f du vibreur.

Principe

Le concept physique fondamental est que la fréquence d'une onde est une caractéristique de sa source. Elle ne change pas lorsque l'onde change de milieu ou lorsque les propriétés du milieu changent. La célérité, la fréquence et la longueur d'onde sont liées par la relation universelle des ondes. Connaissant deux de ces grandeurs, on peut déterminer la troisième.

Mini-Cours

La relation \(v = \lambda \cdot f\) est l'une des plus importantes de la physique ondulatoire. Elle signifie que la distance parcourue par l'onde en une seconde (\(v\)) est égale à la longueur d'une seule onde (\(\lambda\)) multipliée par le nombre d'ondes qui passent par seconde (\(f\)). La fréquence \(f\), exprimée en Hertz (Hz), est imposée par la source (ici, le vibreur) et reste constante tout au long de l'expérience.

Remarque Pédagogique

Imaginez que le vibreur est une main qui tape sur l'eau. La fréquence est le nombre de tapes par seconde. La vitesse des vagues dépend de la profondeur de l'eau. La distance entre les vagues (longueur d'onde) s'ajustera automatiquement pour que la relation \(v=\lambda f\) soit toujours vraie. La fréquence est la "cause", la célérité est une propriété du "terrain", et la longueur d'onde est la "conséquence".

Normes

Cette relation est universelle pour les ondes périodiques. L'utilisation du Système International garantit que la fréquence est obtenue en Hertz (Hz), l'unité standard, équivalente à des s⁻¹.

Formule(s)

Relation fondamentale des ondes

\[ v = \lambda \cdot f \]

Expression de la fréquence

\[ f = \frac{v}{\lambda} \]
Hypothèses

On suppose que la fréquence du vibreur est stable et ne varie pas au cours du temps. On suppose également que le milieu (la corde) est non-dispersif, c'est-à-dire que la célérité ne dépend pas de la fréquence (ce qui est une excellente approximation ici).

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Célérité de l'onde\(v\)19,81m/s
Longueur d'onde\(\lambda\)0,480m
Astuces

Pour une meilleure précision, il est conseillé de garder en mémoire de la calculatrice les valeurs non arrondies de \(v\) et \(\lambda\) issues des questions précédentes avant d'effectuer la division finale.

Schéma (Avant les calculs)
Relation Onde-Source
Sourcefλv
Calcul(s)

Calcul de la fréquence

\[ \begin{aligned} f &= \frac{v}{\lambda} \\ &= \frac{19,81 \text{ m/s}}{0,480 \text{ m}} \\ &\Rightarrow f \approx 41,3 \text{ Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Fréquence de la source déterminée
Sourcef ≈ 41.3 Hzλ = 0.480 mv ≈ 19.8 m/s
Réflexions

Une fréquence de 41,3 Hz est une valeur tout à fait plausible pour un vibreur de laboratoire. Elle se situe dans le registre des basses fréquences audibles. Cette valeur est la "signature" de notre vibreur pour toute l'expérience.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune serait d'inverser la fraction (\(\lambda/v\)). Une vérification par les unités est un bon garde-fou : (m/s)/m donne des s⁻¹, qui sont des Hz. C'est correct. m/(m/s) donnerait des secondes, ce qui correspond à une période, pas une fréquence.

Points à retenir

La relation \(v = \lambda \cdot f\) est universelle. La fréquence \(f\) est fixée par la source et est constante. La célérité \(v\) dépend du milieu. La longueur d'onde \(\lambda\) s'ajuste pour que la relation soit toujours vérifiée.

Le saviez-vous ?

La plupart des vibreurs de Melde simples utilisés dans les lycées sont des électroaimants alimentés par le courant alternatif du secteur. En Europe, la fréquence du secteur est de 50 Hz. Le vibreur est donc attiré 2 fois par période (une fois pour l'alternance positive, une fois pour la négative), il vibre donc à une fréquence de 100 Hz. Notre valeur de 41,3 Hz suggère l'utilisation d'un générateur de basses fréquences (GBF) pour alimenter le vibreur.

FAQ
Résultat Final
La fréquence du vibreur est d'environ 41,3 Hz.
A vous de jouer

Un autre vibreur crée une onde de longueur d'onde \(\lambda=0,5\) m qui se propage à \(v=25\) m/s. Quelle est sa fréquence ?

Question 5 : Vérifier la cohérence de la fréquence en utilisant la dernière mesure.

Principe

Le principe est celui de la validation d'un modèle physique. Si notre modèle (les formules utilisées) et notre hypothèse principale (la fréquence du vibreur est constante) sont corrects, alors le calcul de la fréquence à partir d'un autre jeu de données expérimentales doit donner le même résultat, aux incertitudes de mesure près.

Mini-Cours

Cette démarche est au cœur de la méthode scientifique. On établit une loi ou on mesure une constante à partir d'une première expérience. Ensuite, on réalise une deuxième expérience dans des conditions différentes (ici, une masse différente) et on vérifie si la loi est toujours valable ou si la constante est bien constante. Une concordance des résultats renforce considérablement la confiance dans le modèle.

Remarque Pédagogique

Considérez cette question comme un test de robustesse. Nous avons déterminé une "carte d'identité" du vibreur (\(f \approx 41,3\) Hz) avec le premier jeu de données. Maintenant, nous utilisons un autre jeu de données comme "témoin" pour voir s'il confirme cette identité. C'est une excellente façon de s'assurer qu'on n'a pas fait d'erreur et que la physique décrite est correcte.

Normes

Les normes sont les mêmes que précédemment : application des lois de la mécanique et des ondes, et utilisation rigoureuse du Système International d'unités pour toutes les étapes du calcul.

Formule(s)

Nous allons réutiliser la même chaîne de formules, mais avec les nouvelles données (notées avec un prime ') :

\[ T' = m' \cdot g \quad ; \quad \lambda' = \frac{2L}{n'} \quad ; \quad v' = \sqrt{\frac{T'}{\mu}} \quad ; \quad f' = \frac{v'}{\lambda'} \]
Hypothèses

L'hypothèse cruciale que nous testons est que la fréquence \(f\) du vibreur est la même dans les deux expériences. Nous supposons aussi que les constantes \(L\), \(\mu\) et \(g\) n'ont pas changé.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Nouvelle masse suspendue\(m'\)125,0g
Nouveau nombre de fuseaux\(n'\)2(sans unité)
Longueur de la corde vibrante\(L\)1,20m
Masse linéique de la corde\(\mu\)0,500g/m
Intensité de la pesanteur\(g\)9,81N/kg
Astuces

Pour minimiser les erreurs d'arrondi, on peut combiner toutes les formules en une seule expression littérale pour \(f'\) avant de faire l'application numérique : \(f' = \frac{v'}{\lambda'} = \frac{\sqrt{T'/\mu}}{2L/n'} = \frac{n'}{2L}\sqrt{\frac{m'g}{\mu}}\). Cela permet de faire un seul grand calcul et de vérifier le résultat obtenu étape par étape.

Schéma (Avant les calculs)
Mode n=2
Calcul(s)

Nouvelle tension T'

\[ \begin{aligned} T' &= m' \cdot g \\ &= (125,0 \times 10^{-3} \text{ kg}) \times 9,81 \text{ N/kg} \\ &= 1,22625 \text{ N} \end{aligned} \]

Nouvelle longueur d'onde \(\lambda\)'

\[ \begin{aligned} \lambda' &= \frac{2L}{n'} \\ &= \frac{2 \times 1,20 \text{ m}}{2} \\ &= 1,20 \text{ m} \end{aligned} \]

Nouvelle célérité v'

\[ \begin{aligned} v' &= \sqrt{\frac{T'}{\mu}} \\ &= \sqrt{\frac{1,22625 \text{ N}}{0,500 \times 10^{-3} \text{ kg/m}}} \\ &= \sqrt{2452,5} \\ &\Rightarrow v' \approx 49,52 \text{ m/s} \end{aligned} \]

Nouvelle fréquence f'

\[ \begin{aligned} f' &= \frac{v'}{\lambda'} \\ &= \frac{49,52 \text{ m/s}}{1,20 \text{ m}} \\ &\Rightarrow f' \approx 41,3 \text{ Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Comparaison des modes n=5 et n=2
Mode n=5 (m=20g)Mode n=2 (m=125g)
Réflexions

La valeur de la fréquence calculée avec la dernière mesure (\(f' \approx 41,3\) Hz) est identique, à la précision des calculs près, à celle calculée avec la première mesure (\(f \approx 41,3\) Hz). Cette remarquable concordance valide notre modèle physique et confirme que la fréquence du vibreur est bien une constante de l'expérience.

Points de vigilance

Cette question enchaîne plusieurs calculs, ce qui augmente le risque d'une erreur en cascade. Une erreur sur le calcul de T' se répercutera sur v' puis sur f'. Il est donc primordial de vérifier chaque étape. L'utilisation de la formule combinée est un bon moyen de contre-vérifier le résultat final.

Points à retenir

La vérification de la cohérence d'un modèle sur plusieurs jeux de données est une démarche essentielle en sciences expérimentales. Si les résultats convergent vers une même valeur pour une constante supposée, le modèle est considéré comme robuste.

Le saviez-vous ?

La technique consistant à trouver la meilleure valeur d'une constante à partir de plusieurs mesures différentes est la base de nombreuses découvertes. En traçant \(1/n^2\) en fonction de la masse \(m\), on obtiendrait une droite passant par l'origine. La pente de cette droite serait directement liée à la fréquence du vibreur, permettant une détermination encore plus précise en utilisant tous les points de mesure.

FAQ
Résultat Final
Le calcul avec les données de la dernière mesure donne une fréquence de 41,3 Hz, ce qui est cohérent avec la première détermination. Le modèle est validé.
A vous de jouer

Utilisez les données pour \(n=4\) (\(m=31,3\) g) pour calculer la fréquence et vérifier qu'elle est toujours cohérente.


Outil Interactif : Simulateur de Célérité

Utilisez les curseurs pour faire varier la masse suspendue et la masse linéique de la corde. Observez l'impact direct sur la tension et la célérité de l'onde. Le graphique montre comment la célérité évolue en fonction de la masse pour une masse linéique donnée.

Paramètres d'Entrée
50 g
0.5 g/m
Résultats Clés
Tension (\(T\)) - N
Célérité (\(v\)) - m/s

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Dans une onde stationnaire, un nœud est un point où...

2. Si on double la masse suspendue à la corde, comment évolue la célérité de l'onde ?

3. Pour une fréquence donnée, si on observe 3 fuseaux, que se passe-t-il si on veut en observer 4 ?

4. La distance entre deux ventres consécutifs est égale à :

5. Si on remplace la corde par une autre deux fois plus lourde (masse linéique doublée), pour obtenir le même nombre de fuseaux, il faudra :


Onde stationnaire
Phénomène vibratoire résultant de la superposition de deux ondes de même fréquence et amplitude se propageant en sens inverses. L'onde semble "immobile", avec des points fixes (nœuds) et des points d'amplitude maximale (ventres).
Masse linéique (\(\mu\))
Masse d'un matériau par unité de longueur. Elle caractérise l'inertie de la corde. Son unité S.I. est le kilogramme par mètre (kg/m).
Célérité (\(v\))
Vitesse de propagation de l'énergie d'une onde dans un milieu donné. Pour une corde, elle dépend de la tension et de la masse linéique.
Nœud
Point d'une onde stationnaire où l'amplitude de vibration est constamment nulle.
Ventre
Point d'une onde stationnaire où l'amplitude de vibration est maximale.
Étude des Ondes Stationnaires avec le Vibreur de Melde

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