Le trombone de Koenig : mesurer la célérité du son par interférences

Le deuxième exercice du sujet de spécialité physique-chimie Centres étrangers 1 2025 (jour 2) porte sur un dispositif historique, le trombone de Koenig. Le son d'un haut-parleur se partage entre un tube fixe et un tube mobile, puis les deux ondes se rejoignent au niveau d'un microphone. En faisant coulisser le tube mobile, on passe d'interférences destructives à des interférences constructives. Noté sur 5 points, avec 8 questions, l'exercice se traite en 53 minutes environ.

Conditions d'interférences et lecture d'oscillogrammes (Q1 et Q2)

La première question attend le mot clé : les deux ondes sont cohérentes, car elles proviennent de la même source. Elles ont donc la même fréquence et un déphasage constant pour une position donnée du tube mobile. Se contenter de dire que deux ondes se superposent ne rapporte pas les points. Sur la figure 4, le signal du microphone a une amplitude presque nulle alors que le générateur délivre une tension bien visible : les interférences sont destructives. Pour relier cette figure à la bonne expérience, regardez l'état des deux ondes au point de rencontre : une crête face à un creux signifie une opposition de phase, ce qui correspond à l'expérience 1.

Différence de marche et décalages D_k (Q3 à Q5)

C'est le passage le plus délicat. Tirer le tube mobile d'une longueur D allonge à la fois sa branche du haut et sa branche du bas : la différence de marche vaut δ = 2D, et non D. Les interférences sont constructives lorsque δ = kλ, avec k entier. En combinant ces deux relations avec λ = v/f, on montre que D_k = (k/2) × v/f. Dans un « montrer que », citez l'origine de chaque égalité avant de les combiner.

Calcul de la célérité (Q6)

Le plus petit décalage constructif correspond à k = 1, d'où v = 2 D₁ f. Avec D₁ = 4,35 cm et f = 4032 Hz, on trouve v = 351 m·s⁻¹, valeur cohérente avec la célérité du son dans l'air. Attention à la conversion : laisser D₁ en centimètres donne un résultat cent fois trop grand.

Le programme Python (Q7 et Q8)

Les lignes 8 et 9 parcourent les cinq couples de mesures avec une boucle et calculent une célérité pour chacun, ce qui permet ensuite d'en faire la moyenne et d'atténuer les erreurs de lecture. À la ligne 16, la longueur d'onde s'écrit Lambda=Vson/f. N'utilisez pas la liste V et respectez les majuscules, car Python distingue Vson de vson.

Conseils pour réussir

Cet exercice récompense la rigueur sur le vocabulaire des ondes : cohérence, différence de marche, phase et opposition de phase. Faites un schéma du tube mobile pour justifier le facteur 2, et vérifiez toujours l'ordre de grandeur d'une célérité calculée. Un exercice court qui peut rapporter tous ses points avec une rédaction soignée.