Thème 1 Les Ondes

1. Ondes et particules 2. Caractéristiques des ondes 3. Propriétés des ondes Ondes et particules Des sources « froides » (rayonnement cosmologique, nuages interstellaires, corps solides, etc.) aux plus « chaudes » (étoiles et sources associées), en passant par les sources composites comme les galaxies, l’Univers est empli d’émetteurs électromagnétiques sur tout le spectre, qui interagissent avec l’atmosphère terrestre. Cette interaction, qui dépend du domaine spectral considéré, conditionne la nature de l’instrument d’observation, son support technologique et son altitude (du sol à l’extérieur de l’atmosphère). L’Homme sait également fabriquer des sources de rayonnement sur l’ensemble du spectre, dans le visible, mais aussi dans les domaines radio, infrarouge et ultraviolet notamment. Une étude documentaire, non exhaustive, des sources de rayonnement, éventuellement absorbé par l’atmosphère, sera menée, ainsi que sur les ondes de matière à l’œuvre sur Terre, avec une tonalité particulière mise sur les ondes sonores, dont un prolongement pourra être trouvé dans l’enseignement de spécialité. Les photons associés aux ondes électromagnétiques, les particules élémentaires (électrons, protons, neutrinos, etc.), ou composites (noyaux, atomes, molécules) sont, à côté des ondes électromagnétiques et mécaniques, des supports précieux d’information. Parmi l’ensemble des sources d’ondes et de particules, un choix est possible d’étude plus particulière ainsi que sur un dispositif d’observation donné. Cette faculté de choix porte également sur l’étude expérimentale obligatoire d’un dispositif de détection.

I-a.

I-b.

II

Chap 2 I-c.

A faire à la maison : lire p16-18 et faire une fiche résumée

I-

Rayonnements dans l’univers

a. Document 1 p 20-21 1-2- Le résumé peut être construit en lisant la carte (ci-dessous). Par exemple : « Les rayonnements électromagnétiques s’étendent des ondes radio aux rayons X, la lumière visible n’en est qu’une infime fraction. Ces rayonnements, qui sont de même nature et qui se propagent à la même vitesse, diffèrent par leur fréquence et leur longueur d’onde. Ils sont émis par les corps célestes qui, selon leur température, émettent dans une gamme de fréquence déterminée.

Les rayonnements invisibles issus du cosmos ont été difficiles à détecter sur Terre à cause de l’atmosphère qui les absorbe ou les diffuse. Pour contourner ces difficultés, on a construit des observatoires en altitude et même disposé des télescopes au-delà de l’atmosphère. »

3- Depuis la terre, il est difficile d’observer les rayons X, UV hautes fréquences, IR basses fréquences et lointains, une partie des micro-ondes et les ondes radio basses fréquences car l’atmosphère les absorbe. 4a- La vapeur d’eau absorbe plutôt les IR b- Le dioxygène et l’ozone absorbe quant à eux plutôt les UV. 5- Un radiotélescope est un détecteur d’onde radio. Il peut être placé au niveau de la mer car les ondes radio ne sont quasiment pas absorbées par l’atmosphère. 6- Les télescopes spatiaux permettent d’étudier les objets peu lumineux ou dans des gamme de rayonnement plus étendues car les ondes ne traverseront pas l’atmosphère pour arriver au télescope et ne seront donc pas absorbées.

b. Exemples de sources de rayonnement :

c. Les particules (et détecteur) Rappel : la lumière visible est une onde électromagnétique mais est aussi constitué de particules, appelé photons de longueur d’onde où = énergie du photon (J), h= constante de planck (6,63.10-34 J.s) et c= la célérité de la lumière (3,00.108 m.s-1 )

Il existe de nombreuses autres particules cosmiques : doc/TP 2 p22-23 TP- non faisable car pas de carboglace en labo mais possibilité de faire l’activité. Vidéos : http://www.youtube.com/watch?v=h1NK8D4Le9Y&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=UIDYH5Q6NGY&feature=related 1- Les muons sont des particules produites par interactions entre les particules cosmiques et les particules de la haute atmosphère. 2- Le gaz contenu dans l’aquarium est un mélange air + alcool (propan-2-ol). 3- D Dans l’aquarium la température est inférieur à 83°C donc l’alcool devrait être liquide. 4- a- Les traces obtenues sont solides. Les particules de muons traverse la feutrine est descende dans l’aquarium, arrivé en bas, à -80°C sous le choc thermique, l’alcool se condense (vapeur -> solide), on observe des gouttelettes de condensation : une trainée blanche.

b- C’est une chambre à brouillard car Le brouillard est le phénomène constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace que l’on voit, les traces blanches font donc penser à du brouillard. 5- À chaque fois qu'une particule chargée traversera ce gaz, il se formera sur son passage une micro-trainée de gouttelettes de condensation. Ces trainées matérialisent visuellement la trajectoire de la particule, ce qui permet de la détecter, de visualiser sa trajectoire. Mais l'épaisseur et la longueur de la trainée donne aussi des informations sur la quantité d'énergie et la nature de la particule observée ; chaque type de particule produit une trace caractéristique permettant de l'identifier. Ceci fait de la chambre à brouillard le premier détecteur de particules autres que celles du spectre visible.

II-

Les ondes de matière : onde sismique – doc (source Hatier)

Echelle de Richter : La magnitude est calculée à partir de la mesure de l'amplitude du mouvement du sol déterminée d'après l'enregistrement obtenu sur un sismographe à 100 kilomètres de l'épicentre. Réponses aux questions Séisme: a- Les ondes P sont longitudinales alors que les ondes S sont transversales.

b- La masse et son stylo, en raison de son inertie, ne bouge pas alors que le bâti de l'appareil (support, ressort, tambour rotatif), fixé au sol, accompagne les mouvements du séisme. c-

d- Les piliers de la structure étant déformables, ils vont pouvoir se déformer au passage de l’onde sans se briser et revenir à leurs positions initiales après le passage de l’onde sismique. e-

pour les ondes P on trouve : tp=16 s et pour les ondes S : ts= 25s.

Réponses aux questions Tsunami: a- Les caractéristiques de l’onde qui sont modifiées en arrivant sur la côte sont : sa vitesse (diminue) et son amplitude (augmente). b- La figure 10 représente un genre de chronophotographie du tsunamie (superposition d’image prise à différents moment), le tsunami est une vague unique. c- L’onde a mis 18h (départ 3h arrivé 21h) pour parcourir 17.103km soit une célérité moyenne de 2

-1

=

9,4.10 km.h . d- Temps de se mettre à l’abris, donc plus profonde donc vague moins haute, dissipation avec la distance…

Caractéristiques et propriétés des ondes Il s’agit de savoir décrire les ondes, définir et utiliser les grandeurs physiques associées. La diffraction d’ondes dans tous les domaines du spectre est soulignée, en particulier dans ses conséquences sur l’observation. L’étude des interférences met l’accent sur les conditions d’interférences constructives et destructives pour les ondes monochromatiques. Comme la diffraction et les interférences, l’effet Doppler se prête bien à exploitation expérimentale. Son étude sera étendue à l’investigation en astrophysique (mouvements des corps, détections indirectes et planètes extrasolaires, expansion de l’Univers) et à la vélocimétrie.

I-

Les ondes progressives 1. Activité expérimentale p38 uniquement le A + PCCL

Matériel : appareil photo/vidéo Eleve : règle, corde, gros ressort PCCL-terminal 15 puis 16 : 15. -Déterminer la vitesse de l’onde pour deux amplitudes différentes, conclure. -Déterminer la vitesse de l’onde pour deux formes d’impulsions différentes, conclure. -Déterminer la vitesse de l’onde se propageant dans deux cordes différentes, conclure. 16. -Déterminer la vitesse de l’onde se propageant dans les deux ressorts.

2. Définitions 







Une onde progressive est un phénomène de propagation d’une perturbation. Elle s’accompage de transport d’énergie sans transport de matière, dans toutes les directions possible à partir d’une source (rq : si elle ne se déplace que dans une direction, on parle d’onde progression à une dimension). Certaines ont besoin d’un milieu matériel ; ce sont les ondes mécaniques (ex : onde sismique, vague, son) d’autres peuvent se protager dans le vide ; ce sont les ondes électromagnétiques (IR, rayons X). Une onde est transversale si la déformation du milieu est perdendiculaire à la propagation (corde, vague). Une onde est longitudinale si la déformation du milieu se fait dans la même direction que la propagation. Le retard d’une onde se propageant entre deux points M1 et M2 est la durée séparant le passage entre ces deux points, il est noté τ, τ=t2-t1 en seconde.



La célérité est la vitesse de propagation de l’onde.

Exercice 6, 7 et 9 p50 Correction à la fin du livre

II-

Les ondes progressives périodique. 1. Définitions



Un phénomène est dit périodique lorsqu’il se répète identique à lui-même. Il est alors définit par une période, notée T (en s) : c’est la plus petite durée qui sépare deux pertubations identiques. La fréquence de l’onde, noté f (en Hz) est le nombre de période par seconde : f= .

 

La longueur d’onde d’une onde progressive périodique est la distance minimale séparant deux points qui vibre en phase. Ainsi, pendant une durée T, l’onde a parcouru la distance . La période et longueur d’onde sont donc lié par la relation :



.

Une onde progressive sinusoïdale d’amplitude Umax et de période T et de phase à l’origine u(t)= Umax. cos (

)

Exercices d’application : 10-13 p51

2. Expérience célérité du son dans l’air Par groupe : émetteur ultrason (+ alim 40kHz) et 2 récepteurs, carte d’acquisition, ordi.

est décrite par :

III-

Acoustique. 1- Activité expérimentale p40-41

Matériel : Diapason, flute, piano…. Microphone, carte d’aquisition, ordinateur

2- Bilan : 



L’être humain peut entendre des sons de fréquences comprises entre 20Hz et 20 kHz. En dessous de cet intervalle, se sont les infrasons et au dessus : les ultrasons. Un son musical est analysé par analyse spéctrale (donné par la transformé de Fourrier). On obtient un spectre où apparait la fréquence fondamentale du son noté f1 ainsi que des multiples de f1 appelé les harmoniques (fn=n.f1 avec n un entier naturel, fn la fréquence harmonique de rang n du son). Un son pur est un son composé uniquement d’une fréquence fondamentale ; c’est une onde sinusoïdale. Un son qui n’est pas pur est dit complexe. Un son musical défini par deux grandeurs : sa hauteur (relative au caractère aigu/grave) lié à sa fréquence fondamentale et son timbre, lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques. L’intensité acoustique est la puissance reçue par unité de surface, elle est donc en watt/m² = W.m-² (additif).



Le niveau sonore L est relié à l’intensité acoustique I :



 

( ) avec I0=10-12 W.m-² correspondant au

seuil d’audibilité de l’oreille humainepour un son de 1 kHz. L est en décibels (dB). Il se mesure directement grâce à un sonomètre. Application : calcul L pour I = I0 (réponse L=0dB) et pour I=25,0 W.m-² correspondant au seuil de douleur (L=130 dB). Exercices : 16- 17-21-25 p52 à 54.

I-

Diffraction 1. TP : 2p63

Matériel par groupe: laser, diapositive avec fente étalonnée + support, trou circulaire, diapositive avec fente inconnu, écran, mètre. Réponses aux questions : 1-

2- Sans fente, on observe juste la tache circulaire (point) du faisceau laser. 3-

4-

Inva et théta sont proportionnels (théta=f(inva) une droite modélisé par la fonction théta=635.10-9 inva). Le coefficient directeur vaut 635.10-9 son unité est l’inverse de inva donc la même que a donc en mètre. Le coefficient direction correspond à la longueur d’onde du laser 633nm (trouvé expérimentalement 635nm). 56- Connaissant a de la fente, en mesurant l de la tache de diffraction, on peut trouver la longueur d’onde du laser grâce à l’égalité trouvée au 5. 7- U(a)=0 on va considérer la valeur donné de la fente comme exacte (son incertitude est tellement négligeable devant nos mesures qu’on peut la considérer nulle), U(l)=erreur de lecture sur la règle (placement du 0 et savoir où on s’arrête : double lecture) donc ()

√ (

√

)

√ (

√

)

.

U(D) lecture sur le mètre il s’agit donc de la même formule, le mètre est aussi gradué en mm donc U(D)=0,8mm.

2. Bilan : La diffraction est une modification de la direction de propagation d’une onde au passage d’une petite ouverture ou d’un petit obstacle sans modification de sa fréquence ou de sa longueur d’onde. Ce phénomène est d’autant plus prononcé que la taille de l’obstacle est faible. Pour avoir une diffraction, il faut que la taille de l’obstacle ne soit pas trop grande par rapport à la longueur d’onde de la source. a- Cas particulièr de la fente en lumière monochromatique : la tache centrale de la figure de diffraction d’une onde monochromatique est liée par la relation :

 est la demi-ouverture angulaire en radian, et a et doivent être de la même unité. b- Diffraction en lumière polychromatique : Chaque onde monochromatique constituant la source polychromatique est diffractée différemment (puisque la taille de la tache dépend de la longueur d’onde de la source). Les figures de diffraction correspondant à chaque se superposent.

Exercices : 8 p76

II-

Interférence 1. TP : 3 p 64-

Matériel : laser, 3 fentes d’young (bi-fente : 0,200 mm, 0,300 mm et 0,500 mm), écran, mètre ruban Réponses :

1- On observe des franges d’interférences, alternativement sombres et brillantes sur l’écran. Ces franges sont parallèles entre elles et parallèles aux deux fentes d’Young. 2- a/ On trace la courbe donnant les variations de i en fonction de 1/ b. On obtient une droite qui passe par l’origine; i est donc proportionnel à 1/b.

b/ Les deux premières expressions sont à exclure, car il n’y a pas de proportionnalité entre i et 1/b. En regardant les dimensions (unités), la dernière relation est également à exclure, car i n’est pas homogène à une longueur. Seule la troisième relation est conforme : . 3- On n’observe pas de figure d’interférences à partir de deux lasers identiques éclairant une même zone de l’écran. 4-

avec i : interfrange en m : longueur d’onde de la source en m. b : largeur de l’interfente en m. D : distance écran-fentes en m.

56- a/

donc si on connait , D et i, on retrouve b. U( )=0,2 nm (voir laser), U(i)= √ (

√

)

=1 mm

U(D)= 0,8 cm = 1 cm (meme chose que u(i)) b/

c/ b = 1,01.10–2 ± 0,01.10–2 mm, b est conforme à l’indication du fabricant.

2. Bilan : Lorsque des ondes progressives périodiques produites par deux sources synchrones, c'est-à-dire de même fréquence et en phase (ou opposition) à tout instant, se superposent dans un milieu ; des interférences se produisent. Si les ondes sont en phases ; on parle d’interférence constructives. Si les ondes sont en opposition de phase ; on parle d’interférence destructives. (voir figures ci-dessous).

Le déphasage des sources est lié à la différence de marche de ces ondes. pour les fentes (cf schéma ci-contre). - Quand les interférences sont constructives (ondes en phase).

- Quand ( ) les interférences sont destructives (ondes en opposition de phase). K est un chiffre entier.

a- Cas d’ondes lumineuses monochromatiques Chaque fente diffracte (cf I) la lumière, l’écran reçoit donc deux ondes : interférences. On obtient sur l’écran des franges d’interférences. Les franges sont équidistantes, séparées d’une distance i appelé interfrange. avec

i : interfrange en m : longueur d’onde de la source en m. b : largeur de l’interfente en m. D : distance écran-fentes en m.

b- Cas d’une source blanche : couleurs interférentielles

Ex 9-10-11 p76

III-

Effet Doppler

Intro : vidéo big band théory et ex 22 p79 Activité doc 4 p 65 :

TP- mesure de vitesse (5 p66) : 1- Pour déterminer la valeur de la vitesse du véhicule, il faut mesurer le décalage de fréquence du son émis par un émetteur lorsqu’il est immobile et lorsqu’il est en mouvement. On dispose d’un émetteur à ultrason, jouant le rôle du véhicule, pouvant se déplacer sur un rail. Au milieu du rail se trouve une fourche optique pouvant déclencher une acquisition (ordinateur ou oscilloscope numérique). On réalise une première acquisition avec l’émetteur immobile afin de déterminer la fréquence fE des ultrasons émis. Ensuite, on réalise différentes acquisitions avec l’émetteur s’approchant ou s’éloignant du récepteur afin de déterminer la fréquence fR perçue. 2-

Bilan : Une onde émise avec une fréquence fe est reçue avec une fréquence fr différénte lorsque l’émetteur et le récepteur sont en déplacement relatif : c’est l’effet Doppler. Ceci permet de mesurer des vitesses de déplacement. Lorsque l’émetteur et le récepteur se rapprochent, la longueur d’onde reçue est plus petite que la longueur d’onde émise (cf doc4) r < e . Comme donc r < e fe < fr, fréquence reçue plus élevé : son plus aigu. {Inverse si l’émetteur et le récepteur s’éloigne}. On peut montrer (ex 27(corrigé à la fin du livre), 28) que : pour deux objets e et r se rapprochant, de même . Ex 28

Exercices bilan : 18- 20 et 21