Ce TD s’adresse aux élèves de Terminale S et de Première STI.

SUPPORT DE TRAVAIL
        Ce TD a comme support technique:

- le schéma d’un sismomètre.

- comprendre et expliquer le fonctionnement d’un sismomètre électromagnétique.

- ton cours sur le magnétisme,
- l’étude des ressorts mécaniques,
- ton cours sur les phénomènes d’induction électromagnétique.

Le TD est constitué de trois parties:
- 1ère Partie - Etude de l’aimant et contrôle des connaissances sur le magnétisme,
- 2ème Partie - Etude du fonctionnement,
- 3ème Partie - Exercice d’application.

Tu seras évalué à partir des critères suivants:
- l'autonomie dans le travail (......points),
- la discipline (...... points),
- les réponses aux questions orales du professeur (......points),
- le respect de la méthodologie du travail (......points),
- l'exactitude des documents réponses (......points)

Les premiers sismomètres étaient des capteurs à inertie ou des pendules.

Actuellement on utilise surtout des sismomètres électromagnétiques. Ils ne mesurent pas le mouvement du sol mais la vitesse de mouvement du sol.

Le signal, issu du capteur, est amplifié électroniquement. Il est enregistré sous forme numérique et parfois en même temps sur papier pour contrôle.

Un tracé de séisme s’appelle un  " sismogramme ".

Le domaine observable des ondes sismiques est très large ( de 0.1 seconde à plus de 1000 secondes ), trop large pour qu’un seul sismométre puisse les enregistrer correctement. Pour couvrir toute cette bande de périodes, on utilisera deux types de capteurs:

- le sismomètre courte période "CP " dont la période propre est centrée sur une seconde approximativement.

- le sismomètre longue période ou large bande, " LP " ou " LB ", dont la période propre est centrée sur 20 ou 30 secondes, voire plus.

Le schéma du sismomètre que nous allons étudier est présenté ci-dessous:

Sur le schéma du sismomètre de la page précédente, vous pouvez noter la présence d’un aimant.

Question 1

- Quel est le nom donné à cet aimant?

- Donnez la définition d’une ligne de champ magnétique.
- Représentez les lignes de champ magnétiques de cet aimant.
- Faîtes apparaître le champ magnétique en quelques points.

- Quelle autre forme d’aimant connaissez vous?
- Représentez les lignes de champ de cet aimant.

- Dans une région où règne un champ magnétique uniforme que pouvez vous dire des lignes de champ?

- Peut-on créer un champ magnétique autrement qu’avec un aimant? Si oui expliquez comment.

- On considère le solénoïde suivant:

- Le sens de I étant donné, déterminez les caractéristiques du champ magnétique B créé.
- Identifier la polarité des faces du solénoïde (Explicitez au moins deux méthodes).
- Représentez les lignes de champ magnétique

Le sismomètre est constitué d’un bâti, d’un pendule et d’un ressort.

Un mouvement de la croûte terrestre entraîne un mouvement du bâti. Ce mouvement est transmis au pendule par l’intermédiaire du ressort. Le pendule se déplace alors par rapport au bâti autour de son axe de rotation.

Mouvement du pendule

Nous allons étudier le mouvement du pendule par rapport au bâti. Le pendule est assimilé à une masse m placée au bout d’un ressort. Ici, la mise en équation du problème est rendue difficile par le fait que le bâti, auquel est fixé le ressort, ne peut pas être assimilé à un référentiel galiléen car il est en mouvement par rapport à la terre. Nous allons donc vous donner l’équation différentielle qui régit le mouvement du ressort dans le référentiel lié au bâti :
   

- m est la masse du pendule
- k est la constante de raideur du ressort
- f est le coefficient de frottement fluide
- le second membre représente la vibration du sol transmise au bâti

On montre alors que la solution de cette équation est :
  L’amplitude de ce signal dépend de la fréquence f des oscillations selon la formule :
    Question 7

- Exprimez la formule précédente à l’aide de la variable u :
   

- Tracez la courbe donnant l’amplitude des oscillations du ressort en fonction de u pour u variant de 0 à 3.
- Pour quelle valeur de u et donc de la fréquence cette courbe est elle maximale ?
- Le maximum que vous trouvez est il réaliste ?
- Quelle approximation permet d’expliquer cela ?
- Quel nom donne-t-on à ce type de courbe ainsi qu’à la fréquence qui correspond au maximum ?

- Dans quel autre domaine de la physique avez-vous déjà rencontré ce type de courbe ?

- En observant la courbe obtenue à la question8, précisez dans quelle zone il faut se placer afin d’éviter " l’emballement " du système de mesure ?
- Dans la présentation, il est indiqué l’existence de deux sismomètres, courte période et longue période. Pouvez-vous expliquer pourquoi ?

Question 11

- D’après le schéma du sismomètre quel élément est mis en mouvement par le pendule ?
- Quel phénomène physique apparaît ?

- Donnez la définition du flux magnétique.

- Enoncez les deux lois relatives au phénomène d’induction électromagnétique :
- Loi de Faraday (N’oubliez pas les conventions de signes !)
- Loi de Lenz.

- Pourquoi les signaux enregistrés aux bornes de la bobine mesurent ils la vitesse de mouvement du sol et non le mouvement du sol lui même ?

Question 15

- A quelle condition un circuit est-il soumis à un phénomène d’induction ?
- Quels sont les trois paramètres qui, lorsqu’ils varient, entraînent un phénomène d’induction ?
- Quels sont les trois systèmes dont le principe de fonctionnement est lié à la variation de chacun de ces paramètres?

Dans l’expérience ci-dessous, nous utilisons des bobines à noyau de fer pour réaliser les circuits inducteur et induit :
  Ya, Yb et Masse sont respectivement les deux voies d’entrée et la masse de l’oscilloscope.
Les signes + indiquent les sens positifs choisis pour chaque circuit.

Question 16

- Identifiez sur le schéma le circuit inducteur et le circuit induit.
- Pourquoi visualise-t-on une image du courant sur la voie A de l’oscilloscope ?
- Indiquez le vecteur surface S du second circuit.
- Expliquez pourquoi le signal de la voie A est une image du flux capté par le second circuit ?
- Que visualise-t-on sur la voie B ?
- Lorsque vous faites le montage, vérifiez vous la loi de Faraday pour les deux cas suivant :
- le GBF délivre un signal triangulaire,
- le GBF délivre un signal sinusoïdal ?