1. Ondes et particules 2. Caractristiques des ondes 3. Proprits des ondes Ondes et particules Des sources froides (rayonnement cosmologique, nuages interstellaires, corps solides, etc.) aux plus chaudes (toiles et sources associes), en passant par les sources composites comme les galaxies, lUnivers est empli dmetteurs lectromagntiques sur tout le spectre, qui interagissent avec latmosphre terrestre. Cette interaction, qui dpend du domaine spectral considr, conditionne la nature de linstrument dobservation, son support technologique et son altitude (du sol lextrieur de latmosphre). LHomme sait galement fabriquer des sources de rayonnement sur lensemble du spectre, dans le visible, mais aussi dans les domaines radio, infrarouge et ultraviolet notamment. Une tude documentaire, non exhaustive, des sources de rayonnement, ventuellement absorb par latmosphre, sera mene, ainsi que sur les ondes de matire luvre sur Terre, avec une tonalit particulire mise sur les ondes sonores, dont un prolongement pourra tre trouv dans lenseignement de spcialit. Les photons associs aux ondes lectromagntiques, les particules lmentaires (lectrons, protons, neutrinos, etc.), ou composites (noyaux, atomes, molcules) sont, ct des ondes lectromagntiques et mcaniques, des supports prcieux dinformation. Parmi lensemble des sources dondes et de particules, un choix est possible dtude plus particulire ainsi que sur un dispositif dobservation donn. Cette facult de choix porte galement sur ltude exprimentale obligatoire dun dispositif de dtection.

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

I- Rayonnements dans lunivers a. Document 1 p 20-21

1-2- Le rsum peut tre construit en lisant la carte (ci-dessous). Par exemple : Les rayonnements lectromagntiques stendent des ondes radio aux rayons X, la lumire visible nen est quune infime fraction. Ces rayonnements, qui sont de mme nature et qui se propagent la mme vitesse, diffrent par leur frquence et leur longueur donde. Ils sont mis par les corps clestes qui, selon leur temprature, mettent dans une gamme de frquence dtermine.

I-a.

I-b.

I-c.

II

Chap 2

Les rayonnements invisibles issus du cosmos ont t difficiles dtecter sur Terre cause de latmosphre qui les absorbe ou les diffuse. Pour contourner ces difficults, on a construit des observatoires en altitude et mme dispos des tlescopes au-del de latmosphre.

3- Depuis la terre, il est difficile dobserver les rayons X, UV hautes frquences, IR basses frquences et lointains, une partie des micro-ondes et les ondes radio basses frquences car latmosphre les absorbe. 4- a- La vapeur deau absorbe plutt les IR b- Le dioxygne et lozone absorbe quant eux plutt les UV. 5- Un radiotlescope est un dtecteur donde radio. Il peut tre plac au niveau de la mer car les ondes radio ne sont quasiment pas absorbes par latmosphre. 6- Les tlescopes spatiaux permettent dtudier les objets peu lumineux ou dans des gamme de rayonnement plus tendues car les ondes ne traverseront pas latmosphre pour arriver au tlescope et ne seront donc pas absorbes.

b. Exemples de sources de rayonnement :

c. Les particules (et dtecteur) Rappel : la lumire visible est une onde lectromagntique mais est aussi constitu de particules, appel photons de

longueur donde

o = nergie du photon (J), h= constante de planck (6,63.10-34 J.s)

et c= la clrit de la lumire (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 possibilit de faire lactivit. Vidos : 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 atmosphre.

2- Le gaz contenu dans laquarium est un mlange air + alcool (propan-2-ol). 3- D

Dans laquarium la temprature est infrieur 83C donc lalcool devrait tre liquide.

4- a- Les traces obtenues sont solides. Les particules de muons traverse la feutrine est descende dans laquarium, arriv en bas, -80C sous le choc thermique, lalcool se condense (vapeur -> solide), on observe des gouttelettes de condensation : une traine blanche.

b- Cest une chambre brouillard car Le brouillard est le phnomne constitu dun amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace que lon voit, les traces blanches font donc penser du brouillard.

5- chaque fois qu'une particule charge traversera ce gaz, il se formera sur son passage une micro-traine de

gouttelettes de condensation. Ces traines matrialisent visuellement la trajectoire de la particule, ce qui

permet de la dtecter, de visualiser sa trajectoire. Mais l'paisseur et la longueur de la traine donne aussi

des informations sur la quantit d'nergie et la nature de la particule observe ; chaque type de particule

produit une trace caractristique permettant de l'identifier. Ceci fait de la chambre brouillard le

premier dtecteur de particules autres que celles du spectre visible.

II- Les ondes de matire : onde sismique doc (source Hatier) Echelle de Richter : La magnitude est calcule partir de la mesure de l'amplitude du mouvement du sol dtermine d'aprs l'enregistrement obtenu sur un sismographe 100 kilomtres de l'picentre. Rponses aux questions Sisme:

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 bti de l'appareil (support, ressort,

tambour rotatif), fix au sol, accompagne les mouvements du sisme.

c-

d- Les piliers de la structure tant dformables, ils vont pouvoir se dformer au passage de londe sans se briser

et revenir leurs positions initiales aprs le passage de londe sismique.

e-

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

Rponses aux questions Tsunami:

a- Les caractristiques de londe qui sont modifies en arrivant sur la cte sont : sa vitesse (diminue) et son

amplitude (augmente).

b- La figure 10 reprsente un genre de chronophotographie du tsunamie (superposition dimage prise

diffrents moment), le tsunami est une vague unique.

c- Londe a mis 18h (dpart 3h arriv 21h) pour parcourir 17.103km soit une clrit moyenne de

=

9,4.102km.h-1.

d- Temps de se mettre labris, donc plus profonde donc vague moins haute, dissipation avec la distance

Caractristiques et proprits des ondes Il sagit de savoir dcrire les ondes, dfinir et utiliser les grandeurs physiques associes. La diffraction dondes dans tous les domaines du spectre est souligne, en particulier dans ses consquences sur lobservation. Ltude des interfrences met laccent sur les conditions dinterfrences constructives et destructives pour les ondes monochromatiques. Comme la diffraction et les interfrences, leffet Doppler se prte bien exploitation exprimentale. Son tude sera tendue linvestigation en astrophysique (mouvements des corps, dtections indirectes et plantes extrasolaires, expansion de lUnivers) et la vlocimtrie.

I- Les ondes progressives

1. Activit exprimentale p38 uniquement le A + PCCL

Matriel : appareil photo/vido

Eleve : rgle, corde, gros ressort

PCCL-terminal 15 puis 16 :

15. -Dterminer la vitesse de londe pour deux amplitudes diffrentes, conclure.

-Dterminer la vitesse de londe pour deux formes dimpulsions diffrentes, conclure.

-Dterminer la vitesse de londe se propageant dans deux cordes diffrentes, conclure.

16. -Dterminer la vitesse de londe se propageant dans les deux ressorts.

2. Dfinitions

Une onde progressive est un phnomne de propagation dune perturbation. Elle saccompage de transport

dnergie sans transport de matire, dans toutes les directions possible partir dune source (rq : si elle ne

se dplace que dans une direction, on parle donde progression une dimension).

Certaines ont besoin dun milieu matriel ; ce sont les ondes mcaniques (ex : onde

sismique, vague, son) dautres peuvent se protager dans le vide ; ce sont les ondes

lectromagntiques (IR, rayons X).

Une onde est transversale si la dformation du milieu est perdendiculaire la

propagation (corde, vague). Une onde est longitudinale si la dformation du milieu

se fait dans la mme direction que la propagation.

Le retard dune onde se propageant entre deux points M1 et M2 est la dure

sparant le passage entre ces deux points, il est not , =t2-t1 en seconde.

La clrit est la vitesse de propagation de londe.

Exercice 6, 7 et 9 p50

Correction la fin du livre

II- Les ondes progressives priodique.

1. Dfinitions

Un phnomne est dit priodique lorsquil se rpte identique lui-mme. Il est alors dfinit par une

priode, note T (en s) : cest la plus petite dure qui spare deux pertubations identiques. La frquence de

londe, not f (en Hz) est le nombre de priode par seconde : f=

.

La longueur donde dune onde progressive priodique est la distance minimale sparant deux points qui

vibre en phase.

Ainsi, pendant une dure T, londe a parcouru la distance . La priode et longueur donde sont donc li par

la relation :

.

Une onde progressive sinusodale damplitude Umax et de priode T et de phase lorigine est dcrite par :

u(t)= Umax. cos (

)

Exercices dapplication :

10-13 p51

2. Exprience clrit du son dans lair

Par groupe : metteur ultrason (+ alim 40kHz) et 2 rcepteurs, carte dacquisition, ordi.

III- Acoustique.

1- Activit exprimentale p40-41

Matriel : Diapason, flute, piano.

Microphone, carte daquisition, ordinateur

2- Bilan :

Ltre humain peut entendre des sons de frquences comprises entre 20Hz et 20 kHz. En dessous de cet

intervalle, se sont les infrasons et au dessus : les ultrasons.

Un son musical est analys par analyse spctrale (donn par la transform de Fourrier). On obtient un

spectre o apparait la frquence fondamentale du son not f1 ainsi que des multiples de f1 appel les

harmoniques (fn=n.f1 avec n un entier naturel, fn la frquence harmonique de rang n du son).

Un son pur est un son compos uniquement dune frquence fondamentale ; cest une onde sinusodale. Un

son qui nest pas pur est dit complexe.

Un son musical dfini par deux grandeurs : sa hauteur (relative au caractre aigu/grave) li sa frquence

fondamentale et son timbre, li au nombre et lamplitude des harmoniques.

Lintensit acoustique est la puissance reue par unit de surface, elle est donc en watt/m = W.m- (additif).

Le niveau sonore L est reli lintensit acoustique I : (

) avec I0=10

-12 W.m- correspondant au

seuil daudibilit de loreille humainepour un son de 1 kHz. L est en dcibels (dB). Il se mesure directement

grce un sonomtre.

Application : calcul L pour I = I0 (rponse L=0dB) et pour I=25,0 W.m- correspondant au seuil de douleur (L=130 dB).

Exercices : 16- 17-21-25 p52 54.

I- Diffraction 1. TP : 2p63

Matriel par groupe: laser, diapositive avec fente talonne + support, trou circulaire, diapositive avec fente inconnu, cran, mtre. Rponses aux questions :

1-

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

4-

Inva et thta sont proportionnels (thta=f(inva) une droite modlis par la fonction thta=635.10-9 inva). Le coefficient directeur vaut 635.10-9 son unit est linverse de inva donc la mme que a donc en mtre. Le coefficient direction correspond la longueur donde du laser 633nm (trouv exprimentalement 635nm).

5-

6- Connaissant a de la fente, en mesurant l de la tache de diffraction, on peut trouver la longueur donde du

laser grce lgalit trouve au 5-

.

7- U(a)=0 on va considrer la valeur donn de la fente comme exacte (son incertitude est tellement ngligeable devant nos mesures quon peut la considrer nulle), U(l)=erreur de lecture sur la rgle (placement du 0 et savoir o on sarrte : double lecture) donc

( ) (

) (

) .

U(D) lecture sur le mtre il sagit donc de la mme formule, le mtre est aussi gradu en mm donc U(D)=0,8mm.

2. Bilan : La diffraction est une modification de la direction de propagation dune onde au passage dune petite ouverture ou dun petit obstacle sans modification de sa frquence ou de sa longueur donde. Ce phnomne est dautant plus prononc que la taille de lobstacle est faible. Pour avoir une diffraction, il faut que la taille de lobstacle ne soit pas trop grande par rapport la longueur donde de la source.

a- Cas particulir de la fente en lumire monochromatique : la tache centrale de la figure de diffraction dune onde monochromatique est lie par la

relation :

est la demi-ouverture angulaire en radian, et a et doivent tre de la mme unit.

b- Diffraction en lumire polychromatique : Chaque onde monochromatique constituant la source

polychromatique est diffracte diffremment (puisque la taille de la tache dpend de la longueur donde de

la source). Les figures de diffraction correspondant chaque se superposent.

Exercices : 8 p76

II- Interfrence 1. TP : 3 p 64-

Matriel : laser, 3 fentes dyoung (bi-fente : 0,200 mm, 0,300 mm et 0,500 mm), cran, mtre ruban Rponses :

1- On observe des franges dinterfrences, alternativement sombres et brillantes sur lcran. Ces franges sont

parallles entre elles et parallles aux deux fentes dYoung. 2- a/

On trace la courbe donnant les variations de i en fonction de 1/ b. On obtient une droite qui passe par lorigine; i est donc proportionnel 1/b.

b/ Les deux premires expressions sont exclure, car il ny a pas de proportionnalit entre i et 1/b. En regardant les dimensions (units), la dernire relation est galement exclure, car i nest pas homogne une longueur.

Seule la troisime relation est conforme :

.

3- On nobserve pas de figure dinterfrences partir de deux lasers identiques clairant une mme zone de lcran.

4-

avec i : interfrange en m

: longueur donde de la source en m. b : largeur de linterfente en m. D : distance cran-fentes en m.

5-

donc si on connait , D et i, on retrouve b.

6- a/ 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 = 1,01.102 0,01.102 mm, b est conforme lindication du fabricant.

2. Bilan : Lorsque des ondes progressives priodiques produites par deux sources synchrones, c'est--dire de mme frquence et en phase (ou opposition) tout instant, se superposent dans un milieu ; des interfrences se produisent. Si les ondes sont en phases ; on parle dinterfrence constructives. Si les ondes sont en opposition de phase ; on parle dinterfrence destructives. (voir figures ci-dessous).

Le dphasage des sources est li la diffrence de marche de ces ondes. pour les fentes (cf schma ci-contre). - Quand les interfrences sont constructives (ondes en phase).

- Quand (

) les interfrences sont destructives (ondes en

opposition de phase). K est un chiffre entier.

a- Cas dondes lumineuses monochromatiques Chaque fente diffracte (cf I) la lumire, lcran reoit donc deux ondes : interfrences.

On obtient sur lcran des franges dinterfrences. Les franges sont quidistantes, spares dune distance i appel interfrange.

avec i : interfrange en m

: longueur donde de la source en m. b : largeur de linterfente en m. D : distance cran-fentes en m.

b- Cas dune source blanche : couleurs interfrentielles

Ex 9-10-11 p76

III- Effet Doppler Intro : vido big band thory et ex 22 p79 Activit doc 4 p 65 :

TP- mesure de vitesse (5 p66) : 1- Pour dterminer la valeur de la vitesse du vhicule, il faut mesurer le dcalage de frquence du son mis par un

metteur lorsquil est immobile et lorsquil est en mouvement. On dispose dun metteur ultrason, jouant le rle du vhicule, pouvant se dplacer sur un rail. Au milieu du rail se trouve une fourche optique pouvant dclencher une acquisition (ordinateur ou oscilloscope numrique). On ralise une premire acquisition avec lmetteur immobile afin de dterminer la frquence fE des ultrasons mis. Ensuite, on ralise diffrentes acquisitions avec lmetteur sapprochant ou sloignant du rcepteur afin de dterminer la frquence fR perue.

2-

Bilan : Une onde mise avec une frquence fe est reue avec une frquence fr diffrnte lorsque lmetteur et le rcepteur sont en dplacement relatif : cest leffet Doppler. Ceci permet de mesurer des vitesses de dplacement. Lorsque lmetteur et le rcepteur se rapprochent, la longueur donde reue est plus petite que la longueur donde

mise (cf doc4) r < e . Comme

donc r < e fe < fr, frquence reue plus lev : son plus aigu.

{Inverse si lmetteur et le rcepteur sloigne}. On peut montrer (ex 27(corrig la fin du livre), 28) que :

pour deux objets e et r se rapprochant, de mme

.

Ex 28

Exercices bilan : 18- 20 et 21