QCM : Ondes mécaniques progressives — 16 questions

Questions et réponses du QCM

1. Comment peut-on définir une perturbation dans un milieu matériel élastique ?

Une émission continue d’énergie sans modification des propriétés physiques
Un déplacement permanent de matière provoqué par une source extérieure
Une variation globale et durable de toutes les propriétés du milieu
Une modification locale et temporaire d’une ou plusieurs propriétés physiques du milieu

Une modification locale et temporaire d’une ou plusieurs propriétés physiques du milieu

Explication

Une perturbation correspond à une modification limitée dans l’espace et dans le temps d’une ou plusieurs propriétés physiques du milieu. Un déplacement permanent de matière ne constitue pas la définition générale d’une perturbation.

2. Lorsqu’une onde mécanique se propage dans un ressort, que transporte-t-elle principalement ?

Une nouvelle source, qui remplace progressivement la source initiale
De la matière, sans transfert mesurable d’énergie dans le ressort
Une déformation permanente, qui reste attachée à chaque spire
De l’énergie, sans transport global de la matière du ressort

De l’énergie, sans transport global de la matière du ressort

Explication

Une onde mécanique propage une perturbation et transporte de l’énergie, tandis que la matière du milieu ne se déplace pas avec l’onde. La matière oscille autour de sa position d’équilibre au lieu d’être emportée globalement.

3. Quelle situation correspond à une onde mécanique progressive ?

Une succession continue de signaux due à une perturbation entretenue de la source
Une déformation isolée produite par une perturbation brève de la source
Un déplacement de matière qui avance avec la source dans le milieu
Une modification locale qui reste immobile après l’action de la source

Une succession continue de signaux due à une perturbation entretenue de la source

Explication

Une onde mécanique progressive résulte d’une perturbation entretenue et continue, produisant une succession continue de signaux mécaniques. Une déformation isolée correspond plutôt à une perturbation unique qu’à une onde progressive entretenue.

4. Une corde est agitée verticalement tandis que la perturbation se propage horizontalement : de quel type d’onde s’agit-il ?

D’une onde longitudinale, car la corde constitue un milieu matériel élastique
D’une onde longitudinale, car la déformation accompagne la propagation
D’une onde transversale, car la déformation est perpendiculaire à la propagation
D’une onde transversale, car la déformation est parallèle à la propagation

D’une onde transversale, car la déformation est perpendiculaire à la propagation

Explication

La déformation verticale et la propagation horizontale sont perpendiculaires, ce qui caractérise une onde transversale. Une onde longitudinale exige une déformation parallèle à la direction de propagation.

5. Dans un haut-parleur, des compressions et des raréfactions se déplacent dans la même direction que la propagation du son : comment qualifier cette onde ?

D’onde transversale, car les compressions se succèdent dans le milieu
D’onde longitudinale, car la déformation est perpendiculaire à la propagation
D’onde longitudinale, car la déformation est parallèle à la propagation
D’onde transversale, car les particules du milieu sont mises en mouvement

D’onde longitudinale, car la déformation est parallèle à la propagation

Explication

Les compressions et les raréfactions constituent une déformation parallèle à la direction de propagation : l’onde est donc longitudinale. Le simple mouvement des particules ne suffit pas à définir une onde transversale.

6. Une ride se propage à la surface d’un bassin en suivant un plan : comment classer cette onde selon sa dimension de propagation ?

Comme une onde bidimensionnelle, car elle se propage dans un plan
Comme une onde tridimensionnelle, car l’eau occupe un volume
Comme une onde unidimensionnelle, car elle suit une direction principale
Comme une onde longitudinale, car sa propagation reste limitée à la surface

Comme une onde bidimensionnelle, car elle se propage dans un plan

Explication

Une onde qui se propage dans un plan est bidimensionnelle. Le fait que l’eau possède un volume ne signifie pas que la propagation de la ride s’effectue dans tout l’espace à trois dimensions.

7. Deux ondes mécaniques de très faible perturbation se rencontrent sur une corde ; que se passe-t-il après leur rencontre ?

Elles s’annulent systématiquement dès qu’elles atteignent le même point
Elles restent réunies au point de rencontre et forment une déformation durable
Elles continuent à se propager sans se perturber mutuellement après leur croisement
Elles échangent leurs sources et repartent dans des directions nouvelles

Elles continuent à se propager sans se perturber mutuellement après leur croisement

Explication

Après leur superposition au moment du croisement, les deux ondes poursuivent leur propagation sans perturbation réciproque. La superposition décrit leur rencontre, mais elle n’implique ni immobilisation durable ni changement de source.

8. Que représente la célérité d’une onde mécanique dans un milieu matériel ?

La vitesse de propagation de l’onde dans le milieu
La hauteur maximale atteinte par la perturbation
La durée nécessaire pour créer la perturbation
L’importance de la perturbation produite par l’onde

La vitesse de propagation de l’onde dans le milieu

Explication

La célérité caractérise la vitesse à laquelle la perturbation se propage dans le milieu. L’importance de cette perturbation correspond plutôt à son amplitude, et non à sa célérité.

9. Une onde parcourt une distance dd pendant une durée Δt\Delta t ; quelle relation permet de calculer sa célérité ?

V=dΔtV=\frac{d}{\Delta t}
V=ΔtdV=\frac{\Delta t}{d}
V=d+ΔtV=d+\Delta t
V=d×ΔtV=d\times\Delta t

$$V=\frac{d}{\Delta t}$$

Explication

La célérité est le quotient de la distance parcourue par la durée de propagation, soit V=dΔtV=\frac{d}{\Delta t}. Le quotient inverse correspondrait à une autre grandeur et les deux autres opérations ne conviennent pas.

10. Comment se compare la célérité du son dans un solide, un liquide et un gaz ?

Elle est identique dans les trois milieux matériels
Elle suit l’ordre Vsolide>Vliquide>VgazV_{solide}>V_{liquide}>V_{gaz}
Elle est plus grande dans un liquide que dans un solide
Elle suit l’ordre Vgaz>Vliquide>VsolideV_{gaz}>V_{liquide}>V_{solide}

Elle suit l’ordre $$V_{solide}>V_{liquide}>V_{gaz}$$

Explication

Le son se propage avec une célérité plus élevée dans un solide que dans un liquide, puis plus élevée dans un liquide que dans un gaz. L’ordre inverse contredit cette comparaison entre les milieux.

11. Que désigne le retard temporel d’un point d’un milieu lors de la propagation d’une onde mécanique non amortie ?

Le décalage avec lequel il subit la même perturbation que la source
La distance séparant le point considéré de la source
La vitesse à laquelle la perturbation se déplace entre deux points
La diminution progressive de l’amplitude pendant la propagation

Le décalage avec lequel il subit la même perturbation que la source

Explication

Le retard temporel mesure le décalage entre la perturbation de la source et celle observée au point considéré. La vitesse de propagation est décrite par la célérité, tandis que l’amortissement concerne une diminution d’amplitude.

12. Quelle relation exprime correctement l’élongation d’un point MM par rapport à celle de la source SS avec un retard τ\tau ?

yM(t)=yS(t+τ)y_M(t)=y_S(t+\tau)
yM(t)=yS(t−τ)y_M(t)=y_S(t-\tau)
yS(t)=yM(t−τ)y_S(t)=y_M(t-\tau)
yM(t)=yS(τ−t)y_M(t)=y_S(\tau-t)

$$y_M(t)=y_S(t-\tau)$$

Explication

Le point MM reproduit la perturbation de la source avec un retard, ce qui s’écrit yM(t)=yS(t−τ)y_M(t)=y_S(t-\tau). Une expression avec t+τt+\tau correspond à la relation réécrite pour la source, et non à l’élongation retardée de MM.

13. Une onde se propage de la source SS au point MM sur une distance SMSM avec une célérité VV ; comment calculer le retard temporel ?

τ=SMV\tau=\frac{SM}{V}
τ=SM+V\tau=SM+V
τ=SM×V\tau=SM\times V
τ=VSM\tau=\frac{V}{SM}

$$\tau=\frac{SM}{V}$$

Explication

Le retard est égal à la distance séparant la source du point, divisée par la célérité, donc τ=SMV\tau=\frac{SM}{V}. Le quotient inverse et les produits ne donnent pas une durée de propagation.

14. Une onde parcourt 6 cm6\ \mathrm{cm} en 4 ms4\ \mathrm{ms} ; quelle est sa célérité en unités du Système international ?

1,5 m.s−11{,}5\ \mathrm{m.s^{-1}}
150 m.s−1150\ \mathrm{m.s^{-1}}
15 m.s−115\ \mathrm{m.s^{-1}}
0,015 m.s−10{,}015\ \mathrm{m.s^{-1}}

$$15\ \mathrm{m.s^{-1}}$$

Explication

Après conversion, 6 cm=0,06 m6\ \mathrm{cm}=0{,}06\ \mathrm{m} et 4 ms=0,004 s4\ \mathrm{ms}=0{,}004\ \mathrm{s}, donc V=0,06/0,004=15 m.s−1V=0{,}06/0{,}004=15\ \mathrm{m.s^{-1}}. Conserver directement les nombres en centimètres et millisecondes conduit à une valeur incompatible avec les unités demandées.

15. Deux microphones sont séparés de 34 cm34\ \mathrm{cm} et détectent un son avec un retard de 1 ms1\ \mathrm{ms} ; quelle célérité du son obtient-on dans l’air ?

3 400 m.s−13\,400\ \mathrm{m.s^{-1}}
3,4 m.s−13{,}4\ \mathrm{m.s^{-1}}
340 m.s−1340\ \mathrm{m.s^{-1}}
34 m.s−134\ \mathrm{m.s^{-1}}

$$340\ \mathrm{m.s^{-1}}$$

Explication

La distance vaut 0,34 m0{,}34\ \mathrm{m} et le retard 0,001 s0{,}001\ \mathrm{s}, d’où V=0,34/0,001=340 m.s−1V=0{,}34/0{,}001=340\ \mathrm{m.s^{-1}}. La valeur 34 m.s−134\ \mathrm{m.s^{-1}} résulte notamment d’une conversion incorrecte du retard en secondes.

16. Pour mesurer l’épaisseur ee d’un mur en béton par ultrasons entre deux échos reçus aux instants t1t_1 et t2t_2, quelle expression faut-il utiliser ?

e=2(t2−t1)Vbeˊtone=\frac{2(t_2-t_1)}{V_{béton}}
e=Vbeˊton2(t2−t1)e=\frac{V_{béton}}{2(t_2-t_1)}
e=(t2−t1)Vbeˊtone=(t_2-t_1)V_{béton}
e=(t2−t1)Vbeˊton2e=\frac{(t_2-t_1)V_{béton}}{2}

$$e=\frac{(t_2-t_1)V_{béton}}{2}$$

Explication

L’onde effectue un aller-retour dans le mur, soit une distance égale à 2e2e ; on obtient donc e=(t2−t1)Vbeˊton2e=\frac{(t_2-t_1)V_{béton}}{2}. La relation sans division par deux ne tient pas compte du trajet aller-retour des ultrasons.

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Qu'est-ce qu'une perturbation dans un milieu élastique ?

Une modification locale et temporaire d’une ou plusieurs propriétés physiques.

Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?

La propagation d’une perturbation dans un milieu matériel élastique avec transport d’énergie sans transport de matière.

Qu'est-ce qu'une onde mécanique progressive ?

Une succession continue de signaux mécaniques issus d’une perturbation entretenue et continue.

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