Correction Dnb Amérique du Sud 2018
PHYSIQUE – CHIMIE - Durée de l’épreuve : 30 min – 25 points
Quels signaux pour communiquer ?
La communication à bord d’un sous-marin
- Dans un sous-marin en plongée, les membres de l’équipage ne perçoivent pas la lumière du jour, parfois pendant plusieurs semaines. Pour éviter le dérèglement de leur horloge biologique, des lampes indiquent l’alternance jour-nuit. Lorsqu’il fait jour à la surface, la lumière est blanche ; lorsqu’il fait nuit à la surface, la lumière est rouge.
- En cas d’incendie à bord, une sirène retentit.
La communication vers l’extérieur d’un sous-marin
- Pour communiquer vers l’extérieur depuis un sous-marin en plongée, on peut utiliser une bouée « antenne » reliée au sous-marin par un câble électrique. Cette bouée émet et reçoit des signaux radio.
- Par ailleurs, l’utilisation d’un sonar permet de faire des mesures et de recueillir des informations sur la nature des obstacles rencontrés. Le sonar émet un signal sonore dont la fréquence s’élève à plusieurs centaines de kilohertz. Ce signal se propage jusqu’à un obstacle, est réfléchi par cet obstacle puis revient jusqu’au sonar.
Document 1 : les moyens de communication depuis un sous-marin
Document 2 : échelle des fréquences sonores
Question 1 :
Indiquer la nature des deux types de signaux utilisés pour la communication à bord d’un sous-marin et cités dans le texte d’introduction.
A bord du sous-marin, les deux types de signaux utilisés sont des signaux lumineux et des signaux sonores.
Question 2 :
Préciser l’information transmise par chacun de ces signaux.
Les signaux lumineux (« lumières blanche et rouge) permettent d’indiquer l’alternance jour-nuit à l’équipage. Les signaux sonores (« sirènes ») permet de signaler un incendie.
Question 3 :
Parmi les propositions suivantes, identifier celles qui sont exactes. (Ne pas recopier les propositions choisies mais indiquer uniquement les lettres correspondantes sur la copie).
A. Le sous-marin et la bouée communiquent entre eux par signal radio.
B. Le sous-marin et la bouée communiquent entre eux par signal électrique.
C. La bouée et le satellite communiquent entre eux par signal sonore.
D. La bouée et le satellite communiquent entre eux par signal radio.
E. Le bateau et le sous-marin communiquent entre eux par signal électrique.
Les propositions correctes sont la B (« bouée antenne reliée au sous-marin par un câble électrique »), D (« cette bouée émet et reçoit des signaux radio »).
Question 4 :
Le sonar du sous-marin émet-il des sons audibles ? Justifier la réponse.
D’après le document 2, le domaine d’audibilité est compris entre les fréquences de 20Hz et 20000 Hz. Le sonar émet un signal sonore dont la fréquence s’élève à plusieurs centaines de kilohertz soit plus de 100 000 Hz ce qui est supérieur à 20000 Hz (1 kHz = 1000 Hz). Le sonar du sous-marin émet donc des ultrasons qui sont inaudibles.
Question 5 :
Un sous-marin en expédition pour cartographier les fonds marins se trouve à 300 m sous la surface de l’océan. Les scientifiques utilisent le sonar pour connaître la profondeur du fond océanique dans la zone où se trouve le sous-marin.
En exploitant le document 3, calculer la profondeur du fond océanique.
Donnée : vitesse du son dans l’eau de mer : v = 1500 m/s.
Document 3 : écran de visualisation des signaux émis et reçus par le sonar
La vitesse est donnée par la relation :
$v = \frac{d}{t} $ soit $d = {v}\times{t} $
avec
$d$ : distance parcourue par le signal sonore (en m),
$t$ : durée du parcours du signal sonore (en s)
$v$ : vitesse du son dans l’eau de mer
D’après les données : $v = 1500\ m/s$ et d’après le document 3, la durée entre le signal émis et reçu est de 5,6 carreaux soit $t = {5,6}\times {0,1} =0,56\ s$ (1 carreau représente 0,1 s)
$d = {v}\times{t} $
$d = {1500}\times{0,56} = 840\ m$
Le signal est réfléchi par le fond océanique et effectue un aller-retour. La profondeur est donc la moitié de la distance parcourue par le signal sonore : $\frac{840}{2}=\ 420\ m$
Manipulation d'une formule
$$\large v = \frac{d}{t} $$
Pour calculer $ d$ connaissant $ v$ et $ t$, il faut isoler $ d$, c’est à dire obtenir une relation de la forme $ d =$ ….
Pour isoler $ d$, il faut « enlever » le $\large\dfrac {}{t}$, donc multiplier par $ t$ les deux membres de l’équation :
$$\large t\times{v} = \dfrac{d}{t}\times t$$ et
$$ \large t\times{v} = \dfrac{d}{\bcancel t}\times \bcancel t$$
Après simplification :
$$\large t \times v = d $$
soit : $$ \large d = v \times {t} $$
Pour isoler $ t$, il faut « enlever » le $v \times {}$, donc diviser par $ v$ les deux membres de l’équation :
$$\large \frac{d}{v} = \frac{v\times t}{v} $$ $$\large \frac{d}{v} = \frac{\bcancel {v}\times t }{\bcancel{v}} $$
après simplification :
$$\large \dfrac{d}{v} = t $$
soit $$\large t = \dfrac{d}{v} $$
On obtient les trois relations suivantes : $\large v = \dfrac{d}{t} $ ; $\large d = v \times {t} $ ; $\large t = \dfrac{d}{v} $