PRÉSENTATION

Titre Les écrans à cristaux liquides

Type d'activité

Activité documentaire et expérimentale

Objectifs de l’activité

Comprendre la structure des cristaux liquides

Références par rapport

au programme

Cette activité illustre le thème 3 : «  matériaux »le sous thème « Structure et propriétés » Mots clefs : cristaux liquides

en classe de terminale S - spécialité

Notions et contenus :

- cristaux liquides

Compétences scientifiques évaluées

− Extraire et exploiter des informations utiles,

− Identifier les paramètres jouant un rôle dans le phénomène physique

− Communiquer et argumenter en utilisant un vocabulaire scientifique adapté.

− Mettre en œuvre une démarche expérimentale.

− Raisonner

Conditions de mise en œuvre

Prérequis : onde lumineuse, cristaux, synthèse additive, formation d’une image avec une lentille convergente

Durée : 2h

Contraintes matérielles : voir liste

Mots clefs : cristaux liquides

Source

« la physique par les objets quotidiens » de Cédric Ray et Jean-Claude Poizat. Edition Belin – Pour la science.

Optique expérimentale – Sextant – Hermann 1997E.Hecht, Ondes, optique et physique moderne 2006Physique-eea.ufj-grenoble.fr (galerie d’images d’optique)http://eduscol.education.fr/rnchimie/phys/sommaire.htm

Auteur Caroline Buscema et Fabienne Dalban Académie de LYON

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LISTE DU MATÉRIEL

Jeux de polaroïds

Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse des élèves.

Une source de lumière blanche Une lampe à vapeur de mercure Un filtre interférentiel correspondant à une des radiations du mercure Un condenseur Une lentille convergente (env. 12 cm) Un diaphragme Un écran Un couple de filtres polarisant polariseur – analyseur Une cuve sur support Sucre de canne liquide Un support pour lame mince de quartz Un support de diapositive avec une diapositive portant une bande de ruban adhésif

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La lumière naturelle est un mélange aléatoire et très rapidement variable d’ondes linéairement polarisées dans toutes les directions. En regardant vers la source on observe un champ électrique qui oscille dans une certaine direction durant une fraction de seconde puis qui saute brusquement à une nouvelle direction aléatoire :

Document 1 : Onde lumineuse polarisée

En 1928 Edwin H. Land, alors étudiant de 19 ans à l’Université de Harvard, inventa la première feuille dichroïque polarisante. C’était le début de la fameuse Polaroïd Corporation. En 1938, Land conçut la feuille polaroïd H qui est actuellement le polariseur linéaire le plus largement utilisé.Une feuille transparente d’alcool de polyvinyle est chauffée puis étirée, alignant ainsi ses molécules d’hydrocarbure en ragées parallèles, formant de longues chaines. […] Le résultat est littéralement une grille de fils, un polariseur de lumière, avec un axe de transmission perpendiculaire aux molécules étirées. En lumière naturelle, chaque feuille parait un peu grise parce qu’elle absorbe environ la moitié de la lumière incidente.

E.Hecht, Ondes, optique et physique moderne 2006

Document 2 : Le polaroïd, le filtre polarisant le plus utilisé

ACTIVITÉ

Les écrans à cristaux liquides

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science.

Activité expérimentaleI. Jeux de polaroïds

Les affichages à cristaux liquides comportent deux filtres polarisants. Que signifient le terme polari-sant et quel est l’effet de ces filtres sur la lumière ?

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Figure 1 : cristaux liquides observés au microscope en lumière polarisée. Les structures observées correspondent à autant d'états distincts des cristaux liquides.

Document 4 : Pouvoir rotatoire et biréfringence

Document 3

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Une feuille de cellophane froissée entre polariseur et analyseurs croisés

Bandes de scotch croisées entre polariseur et analyseur

L’un des faisceaux subit les lois de Descartes c’est le faisceau ordinaire, l’autre est le faisceau extraordinaire. Puisqu’il y a réfraction, il y a deux indices (indice ordinaire et extraordinaire). Les deux faisceaux sont polarisés avec des plans de polarisation perpendiculaires. L’indice dépendant de la fréquence, les plans de polarisation sont différents pour chaque longueur d’onde et dépendent aussi de l’épaisseur traversée.

Un faisceau incident arrivant sur un cristal biréfringent1 subit 2 réfractions. Ce phénomène est appelé biréfringence et elle concerne la majeure partie des cristaux.

Direction de la lumière polarisée

Questions

1. Proposer un protocole permettant de mettre en évidence l’extinction de la lumière par deux polaroïds croisés. Réaliser le protocole après validation par le professeur.

2. Comment peut-on mettre alors en évidence le pouvoir rotatoire d’une substance ?

3. Proposer un protocole pour tester quelques substances (plexiglas, morceau de ruban adhésif, solution de saccharose). Réaliser le protocole après validation par le professeur.

4. Pourquoi obtient-on dans certains cas une image colorée à l’écran lorsque la source lumineuse est blanche ?

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Activité documentaire

II. Un étrange état de la matière

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science.

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat edition Belin pour la science.

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III.Forme des molécules

Les molécules de cristaux liquides présentent toujours une forme de bâtonnet (figure 3), composée d’un cœur rigide et de deux chaines flexibles de part et d’autre, qui définissent une direction privilégiée. Leurs propriétés de symétrie ne sont pas les mêmes dans toutes les directions : on parle d’anisotropie. La particularité des cristaux liquides est de se comporter comme des liquides tout en conservant globalement les propriétés de symétrie des solides cristallins, c'est-à-dire que leur structure reste à peu près ordonnée. Les cristaux liquides, tels ceux que l’on peut extraire de l’afficheur d’une montre à quartz, se présentent comme une couche huileuse et grisâtre sans beaucoup d’intérêt pour tout expérimentateur en herbe. En effet, la quantité de cristaux liquides scellée entre les deux plaques de verre est minime et ce matériau n’a, à première vue, rien d’extraordinaire.

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat edition Belin pour la science.

IV. Les différentes phases

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V. Lumière et cristaux liquides

Nous allons voir que l’anisotropie des cristaux liquides prend toute son importance lorsqu’ils interagissent avec de la lumière présentant également une direction privilégiée : la lumière polarisée (voir partie 1 : activité expérimentale).

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science.

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VI. Applications 

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science.

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Ecran et pixels

Le

pixel est lui-même constitué de plusieurs éléments : une cellule de cristaux liquides (deux couches d’ancrage et des molécules de cristaux liquides), une électrode et un transistor. Le transistor a pour fonction de contrôler la tension appliquée à chaque pixel individuellement, afin de l’allumer ou de l’éteindre. Pour fabriquer une dalle, c’est à dire l’ensemble des pixels d’un écran, on dépose un transistor et deux électrodes conductrices et transparentes par pixel sur deux couches d’ancrage, qui sont scellées avec de la résine (figure 10). Chaque pixel, c'est-à-dire chaque point de l’écran, est en fait composé de trois sous pixels de couleurs munis de filtres colorées. La dalle est ensuite recouverte par deux polariseurs dont les directions sont croisées.

D’après « La physique par les objets quotidiens » de C.Ray et J-C Poizat édition Belin pour la science.

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Questions :

Observer1. Pourquoi les cristaux liquides se nomment-ils ainsi ?2. Quel physicien Français a reçu le prix Nobel pour ses travaux sur les

cristaux liquides ?3. Donner quelques applications courantes des cristaux liquides.

Comprendre 4. Définissez le terme anisotropie.5. Donner la formule brute et topologique du Méthoxy-4 benzylidène butyl-4’

aniline (MBBA). Cette molécule MMBA correspond-elle au critère de forme ?

6. Pourquoi la phase nématique est la plus intéressante ?7. Quelle particularité doit posséder une couche d’ancrage ?8. Quelle propriété des cristaux liquides est modifiée quand ils sont soumis à

une tension électrique ?

Agir9. Donner la composition d’un pixel et son principe de fonctionnement.10. Donnez la définition d’une dalle.11. Quelles sont les particularités des cristaux liquides ?

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