TERMINALES S1, S2, S3, S4 Vendredi 14 Novembre DEVOIR SURVEILLÉ SCIENCES PHYSIQUES Durée : 2 heures NE RENDEZ PAS LE SUJET, CONSERVEZ-LE

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1 TERMINALES S1, S2, S3, S4 Vendredi 14 Novembre 2014 DEVOIR SURVEILLÉ SCIENCES PHYSIQUES Durée : 2 heures Toutes les réponses doivent être correctement rédigées et justifiées. Vous traiterez chaque exercice sur une copie indépendante. Ce sujet comporte 6 pages dont 1 d annexe. L'usage de la calculatrice est autorisé Le barème donné est à titre indicatif et pourra être très légèrement modifié. NE RENDEZ PAS LE SUJET, CONSERVEZ-LE EXERCICE I : LA CHIMIE DE LA RUCHE (4,75 pts) EXERCICE II : LA MESURE DE LA LONGUEUR D ONDE D UN LASER (5 pts) EXERCICE III : LE CHANT D UNE BALEINE (1,5 pts) -1-

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4 II) LA MESURE DE LA LONGUEUR D ONDE D UN LASER (5 pts) Le LASER (acronyme de l anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est depuis 50 ans, un outil indispensable utilisé dans de nombreux domaines (transfert d information par fibre optique, métrologie, applications médicales, militaires, nucléaires ou artistiques ). Les lasers de type Hélium-Néon émettent un faisceau de lumière rouge à la longueur d'onde λ = 632,8 nm. Le contrôle de la valeur de la longueur d onde de la radiation émise est indispensable, sa précision peut même atteindre 10-8 nm dans certains cas!! Document 1 : Le faisceau LASER éclaire une fente de largeur a (voir le schéma ci-contre). Sur un écran placé à la distance D = 1,50 m de la fente, on observe une figure constituée de taches lumineuses. En modifiant la largeur a de la fente, on mesure la largeur l de la tache centrale observée. Les résultats expérimentaux permettent de tracer la courbe l = f(1/a) donnée sur la figure 1 page 6. Document 2 : A présent, le faisceau LASER éclaire 2 fentes S 1 et S 2 séparées d une distance a = 50,0 µm (voir le schéma ci-contre). Sur le même écran, placé cette fois à la distance D = 3,00 m des fentes, on observe une figure constituée d une alternance de franges brillantes et sombres équidistantes d une distance i appelée interfrange avec i = D (figure 2 page 6). a Document 3 : Mesure directe à l oscilloscope La caractérisation d une impulsion ultracourte peut être effectuée à l aide d un photodétecteur et d un oscilloscope rapide. Le principe repose sur la mesure de l intensité lumineuse I(t) reçue par le capteur. Les résultats expérimentaux permettent d obtenir l oscillogramme de la figure 3 page 6 (rappel : 1 fs = s). Document 4 : Energie du rayonnement LASER Le LASER étudié est une lumière monochromatique de couleur rouge. Cette couleur est due au néon constituant le gaz à l intérieur de la source Laser, dont le diagramme des niveaux d énergie est indiqué cicontre. Une fois excité, l atome de néon est dans l état d énergie E 2. Puis, par désexcitation stimulée, il passe au niveau inférieur d énergie E 1 en émettant un rayonnement d énergie ΔE = E 2 E 1. Or, d après la formule de Planck, cette énergie vaut ΔE = h (ΔE est exprimée en joules, lorsque est en hertz). Niveaux d énergie du néon : E 1 = 18,70 ev E 2 = 20,66 ev -4-

5 1. Etude du document Quel est le phénomène représenté? A quelle condition est-il observé? 1.2. En supposant l angle petit, démontrer que l = (2 D ) 1 a. Pour les petits angles, tan ( ) (en rad) A partir de la courbe l = f(1/a) donnée sur la figure 1 page 6, déterminer la valeur de la longueur d onde en m puis en nm. 2. Etude des documents 2, 3 et 4 En utilisant les documents 2, 3 et 4, déterminer la valeur de la longueur d onde émise par un LASER de laboratoire. Les valeurs obtenues pour la longueur d onde sont-elles cohérentes? Justifier. Données : constante de Planck : h = 6, J.s ; célérité de la lumière : c = 2, m.s -1 ; 1 ev = 1, J. III) Le chant d une baleine (1,5 pts) Une équipe de zoologues enregistre en pleine mer le chant d une baleine. Le son est détecté à la fois par deux capteurs, l un situé dans l air, l autre plongé dans l eau. L analyse des enregistrements montre que le son enregistré dans l air est reçu avec un retard de 15,3 s sur celui qui est détecté dans l eau. A quelle distance du point d enregistrement se trouve la baleine? Données : célérités du son dans les conditions des mesures : dans l air : V 1 = 3, m.s -1 dans l eau : V 2 = 1, m.s -1-5-

6 Annexe à rendre avec la copie de l exercice concerné NOM :. Prénom :. Classe : Figure 1 Courbe l = f( ) ANNEXE DE L EXERCICE II l (mm) Figure 2 Figure d interférence à l échelle 1/4 1 a Figure 3 Oscillogramme Calibres : axe vertical : tension (1 div 1 mv) ; axe horizontal : temps (1 div 1,25 fs) -6-