Première CD - Phénomène vibratoire et propagation

Stroboscopie (TP)*

ETUDE D’UN MOUVEMENT PERIODIQUE  AVEC LA STROBOSCOPIE(TP)

 

La stroboscopie permet l’étude des mouvements périodiques rapides. L’objectif de ce TP est de mettre en forme une méthode d’analyse pour mesurer la fréquence d’un  phénomène périodique à partir des observations apparentes. Quelques expériences décrites sont visibles sur des clips vidéos.

 

1-Dispositif expérimental :

 

Un stroboscope est un dispositif qui émet des flashs très brefs à une fréquence qui est réglable. Un  flash de couleur  rouge  éclaire un disque tournant (photo ci-dessous). C’est la fréquence de rotation de ce disque que l’on se propose de mesurer. 

 

strobo

 

On désignera par :

« Te » : la durée entre deux éclairs successifs .La durée de l’éclair est considérée négligeable.

« Ne=1/Te » : la fréquence des éclairs (ou le nombre d’éclairs par seconde).

« T » : la durée d’un tour du disque ou période de rotation.

« N=1/T » : la fréquence de rotation du disque.

Le « bouton 1 » du générateur permet de choisir une gamme de fréquences et le « bouton 2 » une fréquence particulière dans la gamme.

 

2-Expérience1 : observation du flash du stroboscope à différentes fréquences :

 

La LED produisant le flash rouge est orientée vers l’œil. Observons la source lumineuse à 11 puis 100 Hz.

logo1

 

Sélectionner les clips vidéo «11Hz puis 100Hz» dans le dossier des vidéos.

dossier de clips vidéos pour stroboscopie

 

 

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Question : observer les différences de perception pour les deux fréquences d’éclairement et donner une explication.

 

3-Expérience 2 : disque éclairé avec le stroboscope.

La fréquence du générateur bleu est réglée pour fonctionner dans la gamme de fréquence comprise entre 11 et 100 Hz (sélection avec bouton 1). Eclairer la surface du disque tournant.

 

 

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Sélectionner le clip vidéo « mouvement disque » dans le dossier des vidéos et observer le disque en train de tourner.

dossier de clips vidéos pour stroboscopie

 

 

Questions :

a-Décrire l’aspect du disque pour Ne=53Hz.

Quelle relation peut-on écrire alors entre Te et T ? Et entre Ne et N ?

Dans quel cas la fréquence des éclairs est-elle égale à la fréquence de rotation du disque ?

Comment savoir si Ne=N en pratique?

b-Décrire l’aspect du disque pour Ne =106Hz et interpréter.

 

 

Correction

2-A 10 Hz, le clignotement de la source est bien perceptible .A 100 Hz il ne l’est  plus; la source de lumière semble continue.

Lorsque l’image se forme sur la rétine, la transmission et l’extinction de l’information lumineuse jusqu’au cerveau n’est pas instantanée. Le cerveau ne peut pas enregistrer deux images successives séparément si la durée entre celles-ci est inférieure à 1/10ème de seconde (durée de persistance rétinienne). A 100Hz, la durée entre deux éclairs successifs est de 0.01s, valeur bien inférieure à la durée de persistance rétinienne. Les éclairs successifs ne semblent plus séparés. Cette limite dans le pouvoir séparateur temporel de l’œil est mise à profit dans de nombreuses applications : par exemple pour former l’image sur un écran de télévision à partir du balayage d’un point.  

3-a :

On obtient une immobilité apparente du disque.(ajuster le bouton n°2 pour obtenir l’immobilité parfaite)

Le disque semble au repos car le repère est éclairé toujours dans la même position. Aucun clignotement n’est perceptible car la durée entre deux éclairs est inférieure à la durée de persistance rétinienne.

Entre deux éclairs successifs, le disque fait 1, 2 , 3….k tours (k entier). (voir figure ci-dessous)

strobo1

La période des éclairs est alors un multiple entier de la période de rotation du disque.

Lorsque le disque semble au repos, la fréquence des éclairs est égale à la fréquence du disque divisé par un nombre entier.

Cas particulier :Ne=N si k=1, la fréquence du disque est donc la plus grande fréquence pour laquelle on observe l’immobilité apparente d’un seul repère. Mais comment savoir si 53Hz est la plus grande ? Il suffit d’augmenter la fréquence à partir de 53Hz. Si l’on constate qu’il n’est plus possible d’immobiliser un repère, c’est la valeur 53 qui est la bonne.

L’utilisation du matériel permet de le vérifier.

En pratique, il est préférable de choisir au départ une fréquence des éclairs élevée, de la diminuer jusqu’à obtenir l’immobilisation d’un repère.

 

  3-b : La fréquence des éclairs étant doublée (106Hz) on observe deux repères séparés de 180°. Entre 2 éclairs le disque tourne de ½ tour.

 

strobo2

 

4-Mouvement au ralenti :

C’est une possibilité intéressante que d’observer des phénomènes rapides au stroboscope.

(haut-parleur, vibreur, onde progressive, interférences à la surface de l’eau…)

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a/ Expérience 1 :A partir de la valeur 53Hz, augmentons légèrement la fréquence du stroboscope jusqu’à 54 Hz. Qu’allons-nous observer ?

 

Ne>N et donc Te<T , et donc entre deux éclairs le disque tourne d’un peu moins d’un tour, disons 1 tour moins une fraction de tour e.(voir dessin ci-dessous)

 

strobo3

 

Le disque semble tourner en sens contraire du sens réel.

Calculons la fréquence apparente Nap de rotation du disque :Nap=e/Te.  

Fréquence réelle de rotation :N=(1-e)/Te=1/Te – e/Te=Ne-Nap  d’où : Napp=Ne-N=54-53=1Hz

 

b/Expérience 2 :Si au contraire on diminue légèrement la fréquence des éclairs, le disque aura  un mouvement apparent ralenti dans le sens réel de rotation de fréquence apparente :Nap=N-Ne.


Last modified: Monday, 29 February 2016, 9:57 AM
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