Eduscol : ondes sismiques

BaccalaurØat des voies gØnØrale et technologique preuve de physique-chimie de sØrie S Annales 0 : exemples d’exercices BO n 27 du 4 juillet 2002 Physique, enseignement obligatoire : Ondes sismiques Attention : Les sujets proposØs ne sont pas reprØsentatifs de l’ensemble des possibilitØs offertes par les programmes et ne constituent donc pas une liste fermØe de ces possibilitØs. Aussi doivent-ils Œtre considØrØs comme des exemples et non comme des modŁles. 27 aoßt 2002 MinistŁre de la Jeunesse, de l’ ducation nationale et de la Recherche Direction de l Enseignement scolaire eduscol.education.fr/bac °Enseignement obligatoire Ondes sismiques L usage de la calculatrice est autorisØ Comment les ondes sismiques se propagent-elles ? Quand la Terre tremble, les vibrations se propagent dans toutes les directions partir du foyer du tremblement de terre situØ dans les profondeurs de la couche terrestre. Les vibrations sont initialement de deux types : celles qui compriment et dØtendent alternativement les roches, la maniŁre d’un accordØon, et celles plus destructrices qui les cisaillent. Les premiŁres, les plus rapides (appelØes ondes P), voyagent dans la croßte une vitesse de 6 km/s environ, mais peuvent Œtre ralenties dans les roches peu consolidØes. Les secondes (appelØes ondes S) sont, cause des propriØtØs Ølastiques des roches, systØmatiquement deux fois plus lentes mais environ cinq fois plus fortes que les premiŁres. Ainsi, lors d’un sØisme lointain, ayant ressenti l’onde P, on peut anticiper l’arrivØe des ondes S. Peut-on les distinguer quand un sØisme a lieu sous nos pieds ? Oui : les ondes P vibrent dans leur direction de Øpicentre propagation, elles soulŁvent ou affaissent le sol, tandis que les ondes S vibrent perpendiculairement et nous secouent horizontalement. foyer Heureusement, lors de leur voyage travers le sous-sol, les ondes perdent de leur Ønergie. En s’Øloignant du foyer, elles s’amortissent et leurs effets s’attØnuent. Voil pourquoi les sØismes superficiels, trop proches pour Œtre affaiblis, sont les plus destructeurs. D’aprŁs La Recherche (n exceptionnel aoßt octobre 2001 LES SEISMES) 1. Ondes mØcaniques 1.1. Les ondes sismiques appartiennent au domaine des ondes mØcaniques. Donner la dØfinition gØnØrale d’une onde mØcanique. 1.2. Dans le texte, on peut lire : "les premiŁres voyagent dans la croßte une vitesse de 6 km/s environ". Quel terme plus appropriØ que "vitesse" devrait-on utiliser ? 2. Les ondes sismiques peuvent Œtre, selon les cas, qualifiØes par les termes suivants : - ondes longitudinales ; - ondes de cisaillement ; - ondes transversales ; - ondes de compression. - 2.1. En utilisant deux termes de la liste ci-dessus, caractØriser une onde P. Justifier la rØponse. 2.2. En utilisant deux termes de la liste ci-dessus, caractØriser une onde S. Justifier la rØponse. Ondes sismiques - Bac S, physique-chimie - 1/5Enseignement obligatoire 2.3. Associer chacun des deux schØmas ci-dessous aux ondes P ou S. Justifier la rØponse. SchØma 1 SchØma 2 Direction et sens Direction et sens de propagation de propagation de l’onde de l’onde 3. Les expØriences ci-dessous peuvent modØliser les ondes P ou S. Associer chaque expØrience l’un des deux types d’onde. SchØma 3 SchØma 4 4. picentre et foyer du sØisme ØpicentreD station d foyer Une onde sismique commence se propager partir du foyer la date t = 0. Une station enregistreuse est situØe une distance D de l’Øpicentre et une distance d du foyer. On note V p la cØlØritØ de l’onde P et V la cØlØritØ de l’onde S dans la croßte.s 4.1. Donner l’expression de t et t , dates d’arrivØe respectivement des ondes P et S la stationp S enregistreuse. Ondes sismiques - Bac S, physique-chimie - 2/5Enseignement obligatoire 4.2. On ne peut pas conna tre prØcisØment V et V . Cependant, on sait qu’elles obØissent lap S relation :  1 1 1  − ≈ V V 8S P  -1V et V Øtant exprimØes en km.s .S P et t , Øtablir, en utilisant la relation qui existe entre les vitesses,4.2.a. Si on mesure les dates tS P l’expression de la distance d en fonction de ces dates. 4.2.b. Un capteur de la station mesure l’intervalle de temps sØparant l’arrivØe des deux ondes la station : ∆t = 25 s. En dØduire la distance de la station au foyer du sØisme. 4.3. On appelle foyer superficiel un foyer trŁs proche de la surface terrestre. Dans ce cas, on peut considØrer que d ≈ D. Une des mØthodes utilisØes pour localiser l’Øpicentre du sØisme dans ce cas est la mØthode dite des trois cercles : trois stations S , S et S mesurent la distance laquelle elles se trouvent du1 2 3 foyer d’un sØisme. On note des distances respectivement d , d et d . On suppose que le milieu est1 2 3 isotrope, c est dire que les ondes se propagent la mŒme vitesse dans toutes les directions. Expliquer le principe de la mØthode dite « des trois cercles ». Ondes sismiques - Bac S, physique-chimie - 3/5Enseignement obligatoire Ondes sismiques Questions RØfØrences aux compØtences inscrites au BO 1.1. Donner la dØfinition gØnØrale d’une onde DØfinir une onde mØcanique et sa cØlØritØ mØcanique. 1.2. Quel terme plus appropriØ que "vitesse" DØfinir une onde mØcanique et sa cØlØritØ devrait-on utiliser ? 2.1. En utilisant deux termes de la liste ci- DØfinir et reconna tre une onde transversale et une dessus, caractØriser une onde P. onde longitudinale. Utiliser un vocabulaire scientifique adaptØ. 2.2. En utilisant deux termes de la liste ci- DØfinir et reconna tre une onde transversale et une dessus, caractØriser une onde S. onde longitudinale. Utiliser un vocabulaire scientifique adaptØ. 2.3. Associer chacun des deux schØmas ci- Associer un modŁle un phØnomŁne. dessous aux ondes P ou S. Justifier la rØponse. 3. Associer chaque expØrience l’un des deux Associer un modŁle un phØnomŁne. types d onde. 4.1. Donner l’expression de t et t , dates Exploiter la relation entre le retard, la distance et lap S d’arrivØe, respectivement des ondes P et S la cØlØritØ. station enregistreuse. 4.2.a. Si on mesure les dates t et t , Øtablir, en Exploiter la relation entre le retard, la distance et laS P utilisant la relation qui existe entre les vitesses, cØlØritØ. l’expression de la distance d en fonction de ces dates. 4.2.b. En dØduire la distance de la station au Exploiter la relation entre le retard, la distance et la foyer du sØisme. cØlØritØ. Utiliser les unitØs adaptØes. 4.3. Expliquer le principe de la mØthode dite laborer une argumentation, une dØmarche « des trois cercles ». scientifique. Ondes sismiques - Bac S, physique-chimie - 4/5Enseignement obligatoire Ondes sismiques Questions RØponses Points Commentaires 1.1. On appelle onde mØcanique le phØnomŁne de propagation d’une 0,5 0 si "milieu matØriel" et perturbation dans tout milieu matØriel sans transport de matiŁre. "sans transport de matiŁre" ne figurent pas dans la rØponse On devrait utiliser le terme de cØlØritØ d’une onde 0,251.2. Les ondes P sont des ondes longitudinales : la direction de 0,25 Toute justification2.1. dØplacement temporaire de la matiŁre et la direction de correcte du terme "onde propagation de l’onde sont les mŒmes. On parle aussi d’ondes de 0,25 de compression" sera compression : elles crØent de proche en en proche des ondes de acceptØe. compression-dØtente du milieu de propagation. Les ondes S sont des ondes transversales : la direction de 0,252.2. dØplacement temporaire de la matiŁre et la direction de propagation de l’onde sont perpendiculaires. On parle aussi 0,25 d’ondes de cisaillement . 2.3. SchØma 1 : ondes P ; SchØma 2 : ondes S 0,5 3. 0,5 Ondes SOndes P 4.1. Si les ondes S et P se propagent dans un milieu supposØ non 0,75 0,25 pour τ dispersif, la perturbation au point M’ (station enregistreuse) l’instant t’ est la mŒme que celle qui existait au point M (foyer) 0,25 pour tp MM ’τ τl’instant t= t’-τ, avec = , Øtant le retard et V la 0,25 pour tSV cØlØritØ de l’onde considØrØe. Donc, en prenant l’origine des temps t = 0 l’instant oø le sØisme dØmarre d d t = et t = P S V VP S 4.2.a. 0,5 1 1   ∆t = t - t = d − donc d = 8× (t - t )S P S P V VS P  4.2.b. d = 8× 25 d = 200 km 0,25 4.3. 0,25 Les schØmas ne sont pas obligatoires. UneSTATION 1 A partir de la position explication claire peutde la station 1, on trace Œtre suffisante.un cercle dont le rayon d correspond peu prŁs1 STATION 2 la distance Øpicentrale STATION 3 D1 On fait de mŒme pour les EPICENTRE 0,5STATION 1 stations 2 et 3. Les arcs de cercle se coupent en 1 seul point si le sØisme est superficiel. Le point STATION 2 d’intersection donne la STATION 3 position de l’Øpicentre. TOTAL 5 Ondes sismiques - Bac S, physique-chimie - 5/5