Chapitre 1 : ONDES ET PARTICULES : Supports de l information

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1 THEME Sous -thème OBSERVER Ondes et particules Chapitre 1 : ONDES ET PARTICULES : Supports de l information NOTIONS ET CONTENUS Rayonnements dans l Univers Absorption de rayonnements par l atmosphère terrestre Les ondes dans la matière Houle, ondes sismiques, ondes sonores. Magnitude d un séisme sur l échelle de Richter. Niveau d intensité sonore Détecteurs d ondes (mécaniques et électromagnétiques) et de particules (photons, particules élémentaires ou non) COMPETENCES ATTENDUES - Extraire et exploiter des informations sur l absorption de rayonnements par l atmosphère terrestre et ses conséquences sur l observation des sources de rayonnements dans l Univers. - Connaître des sources de rayonnement radio, IR et UV. - Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière. - Connaître et exploiter la relation liant le niveau d intensité sonore à l intensité sonore. - Extraire et exploiter des informations sur : des sources d ondes et de particules et leurs utilisations / un dispositif de détection. SOMMAIRE I. Rayonnements dans l Univers. 1. Nature du rayonnement. 2. Les sources de rayonnement. 3. Absorption et détection des rayonnements. 4. Réutilisations par l Homme. - Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection. II. Les ondes dans la matière. 1. Nature de ces ondes. 2. Source, manifestations et détection des ondes mécaniques. 3. Le niveau d intensité sonore. Activité expérimentale : Utilisation d un oscilloscope ACTIVITE Activité documentaire : Atmosphère et rayonnements dans l Univers 18 ; 22 ; 24 ; 26 p p 63 EXERCICES MOTS CLES Rayonnements, ondes électromagnétiques, fréquence, longueur d onde, célérité, domaines spectraux, détection, niveau d intensité sonore. M.Meyniel 1/7

2 LES SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES EN TERMINALE SCIENTIFIQUE De nos jours, dans notre société, les informations arrivent de toutes parts, de tous ordres et immédiatement. La formation de l esprit est donc nécessaire pour transformer l information en connaissance à acquérir (les 2 facettes indissociables de l activité éducative). Le programme de TS s inscrit alors dans le prolongement de celui de 1 S en approfondissant la formation à la démarche scientifique afin de consolider les compétences déjà rencontrées et d en acquérir deux nouvelles : extraire et exploiter les informations. Pour cela, divers supports multiples seront proposés (textes de vulgarisation et scientifiques en français ou non, graphiques, tableaux de données, vidéos, signaux, spectres, modèles, expériences simulées ou réalisées, ). L extraction a pour but de s interroger de manière critique sur la valeur scientifique des informations, sur la pertinence et de choisir de façon argumentée ce qui est à retenir par rapport à une information surabondante et parfois erronée (où la connaissance objective et rationnelle doit être distinguée de l opinion et de la croyance). L exploitation passera ensuite par l étape d identification des grandeurs physiques ou chimiques et par celle de modélisation. Cette formalisation pourra conduire à l établissement d équation et leur traitement, numérique comme graphique. Le but est donc de raisonner avec méthode et de mettre en œuvre avec rigueur l ensemble des étapes permettant d aboutir à une solution au problème posé. Le recours à l outil mathématique pourra se faire mais sans le lieu commun. L exploitation sera aussi menée de façon qualitative mais toujours avec rigueur (analyse dimensionnelle, examen préalable des phénomènes en cause, comparaison des o.g, peuvent permettre une simplification efficace et amener une résolution rapide à un problème a priori complexe). Ainsi, on apprendra à faire un peu de physique-chimie «avec les mains» afin de savoir communiquer en tant que scientifique avec des non-scientifiques. Enfin, on prendra soin d effectuer une analyse critique des résultats obtenus notamment en comparant les effets attendus et ceux observés. L exploitation d un résultat apparaîtra alors comme : - un moyen de validation ou non des hypothèses faites lors d une modélisation - le point de départ d un réinvestissement à l interface entre «comprendre» et «agir». Dans cette optique de formation de l esprit, le programme de TS comme celui de 1 S s articule autour des 3 grandes phases de la démarche scientifique : observer, comprendre et agir en partant de questionnements sur notre quotidien. M.Meyniel 2/7

3 OBSERVER : ONDES ET MATIERE Toute démarche scientifique débute sur l observation. * La vie sur Terre n est autorisée que par la présence du Soleil à son voisinage (condition nécessaire mais non suffisante à la vie autres conditions : ie l eau sous 3 états). Pourquoi? parce qu il apporte l énergie première. Comment? via son rayonnement. * Par ailleurs, de nos jours, avec le dérèglement climatique, de plus en plus de catastrophes naturelles se produisent à l instar des séismes, des raz-de-marée, phénomènes de nature ondulatoire. * L Homme sait également fabriquer de la lumière, visible ou non, ou bien émettre des ondes radio, sonores. Il en ressort que, dans notre quotidien, les rayonnements et les ondes sont continuellement en interaction avec la matière. Mais toutes ces phénomènes n ont pas forcément la même nature, pas le même support ou la même énergie. L illustration de ce premier thème va donc s appuyer sur ce phénomène d onde et de rayonnement dans sa globalité. Dans un premier temps, nous illustrerons, de manière non exhaustive, les sources de rayonnement extraterrestres et les sources d onde terrestres (notamment les ondes sonores) en essayant de préciser leur nature. Cela permettra de revoir les particules élémentaires ou composites (noyau, atomes, molécules) supports, tout aussi précieux que les ondes, de l information. Nous en profiterons alors pour nous intéresser à leur détection afin de recueillir les données qu elles véhiculent. Dans un 2 ème temps, d après leurs observations, nous essayerons de déterminer les caractéristiques et les propriétés des ondes en définissant les grandeurs physiques associées. Et, toujours dans un souci d observation, nous mettrons en exergue certains phénomènes propres aux ondes (comme la diffraction, les interférences ou encore l effet Doppler) tout en pointant leur intérêt et l utilisation que l on peut en faire. Importance de connaître pleinement un phénomène pour pouvoir le réutiliser. Enfin, si l effet Doppler permet une investigation en astrophysique, nous verrons que les ondes véhiculent bien d autres informations comme nous l avons fait en seconde avec la lumière visible venant des étoiles pour déterminer leur température et leur composition. Ici, nous élargirons notre étude sans se restreindre au domaine du visible en nous portant plutôt cette fois sur l infiniment petit. Prérequis - Signal périodique : motif, période (définition, détermination graphique, unité) / fréquence (f = 1/T) - Ondes : vitesse de propagation (v = d/ t, dépend du type d onde et du milieu), onde sonore (v = 340 m.s -1, pas de propagation dans le vide, domaine d audibilité [20 ; Hz]), OEM (c = 3, m/s, domaine de visibilité = domaine de fréquence restreint entre UV et IR) - Sources de lumière : lumière mono- ou polychromatique selon nombre de radiations émises par la source, notion de longueur d onde λ et domaine de visibilité [400 ; 800 nm], longueur d onde dans le vide λ 0 = c/f, notion d indice optique n = c/v - Spectres d émission et d absorption - Matière colorée : absorbance A (grandeur positive ou nulle, sans dimension, liée à l intensité de la lumière absorbée par une espèce en solution, dépend de la longueur d onde) mesurée par spectrophotomètre, spectre d absorption de la solution = graphe A = f(λ), loi de Beer-Lambert A = ε λ.l.c (l en cm et c en mol.l -1 ) avec le coefficient d absorption molaire fonction de la longueur d onde ; la loi étant additive A = A i - Groupes caractéristiques et classes fonctionnelles : alcool (groupe hydroxyle OH), aldéhyde et cétone (groupe carbonyle C=O), acide carboxylique (groupe carboxyle COOH) M.Meyniel 3/7

4 ONDES ET PARTICULES : SUPPORT DE L INFORMATION Les observations au voisinage de la Terre ou même dans tout l Univers mettent en exergue le transport d informations par les ondes et autres rayonnements. Mais qu elle est la nature de ces ondes? de ces rayonnements? Comment les détecte-t-on? C est ce que nous allons voir dans ce chapitre en nous intéressant à ces moyens de transport d informations. Nous essayerons de déterminer leur nature puis leur provenance, leur source. Dès lors, il conviendra d étudier les moyens de détection dont nous disposons afin de pouvoir exploiter leurs données voire les réutiliser. Pour cela, nous verrons dans un premier temps ce qu il en est des informations véhiculées dans l Univers avant de redescendre sur Terre dans un second temps. I. Rayonnements dans l Univers. 1. Nature du rayonnement. L énergie solaire nous parvient par rayonnement. Le rayonnement constitue donc un mode de transport d énergie. On distingue 2 types de rayonnement : * l émission de particules telles que les protons, neutrons, noyaux d hélium, neutrinos, électrons (provenant hypothétiquement de supernovas, explosions d étoile en fin de vie (donc froides) et très massives. Les particules subiraient ensuite différentes modifications au cours de leur voyage spatiale). * l onde électromagnétique OEM. Chaque OEM, appelée aussi radiation, est caractérisée par sa fréquence ν (Hz) ou sa longueur d onde dans le vide λ 0 (m). Ces 2 grandeurs physiques sont liées par la relation : λ 0 = c / ν c = 3, m.s Les sources de rayonnement. célérité de la lumière dans le vide TOUS les objets célestes émettent des rayonnements. Lors de l émission de particules, ces dernières interagissent avec de la matière ou des champs magnétiques (on parle alors de rayonnement synchrotron) engendrant des OEM. Les OEM sont regroupées dans divers domaines selon la quantité d énergie transportée : Interactions des particules cosmiques (proton, noyaux d hélium) avec les gaz interstellaire (proche du vide) Naines blanches, étoiles à neutrons Etoile très chaudes T > K = rayonnement cosmique 0,1 nm 10 nm 1 mm 1 m longueur d onde λ (m) rayons γ rayons X fréquence UV visible infrarouge µ-ondes ondes radio ou hertziennes ν (Hz) Etoile froides T < K Gaz froids, supernovae, poussière interstellaire, planètes, astéroïdes, restes du Big Bang Le domaine du visible est restreint et s étend entre [400 ; 800 nm]. On distingue : - les sources chaudes : particules à haute fréquence, λ < 400 nm => Haute énergie. - les sources froides : particules de faible fréquence, λ > 800 nm => Faible énergie. [Cf 2 de : enrichissement du spectre vers le violet lorsque la température augmente] M.Meyniel 4/7

5 3. Absorption et détection des rayonnements. Les rayonnements se propagent dans le vide et dans des milieux matériels. Dans la matière, il peut y d ailleurs y avoir une interaction. Document 1 : Exemples d absorption de rayonnements au niveau de l atmosphère * Les astroparticules peuvent produire des particules secondaires comme les muons, abondants en milieu marin * Le vent solaire, flux particulaire (protons + électrons issus de collisions violentes entre atomes d hydrogène) émis par le Soleil et dévié vers les pôles par le champ magnétique terrestre, interagit avec les molécules de l air comme l ozone pour produire des photons d OEM visibles. On parle alors d aurores polaires. * Les rayonnements ionisants (γ et X) sont totalement absorbés par les constituants de l atmosphère (protoxyde d azote N 2 O, dioxygène O 2 et ozone O 3 ). * Les rayons UV sont partiellement absorbés : les UV C, les plus dangereux, sont absorbés contrairement aux UV B qui brûlent et aux UV A qui permettent de bronzer (ces derniers sont cependant absorbés par les nuages). * Le domaine du visible n est quasiment pas absorbé : on parle alors de fenêtre visible. * Le proche IR est essentiellement absorbé par la vapeur d eau et le dioxyde de carbone CO 2 conduisant à un l effet de serre. * Les micro-ondes et les ondes radio ne sont quasiment pas absorbés : on parle de la fenêtre radio. Document 2 : Détection des rayonnements L étude des rayonnements impose leur détection. Cas des particules : * Dans une chambre à brouillard, une particule chargé provoque la condensation de la vapeur en minuscule gouttes d eau matérialisant ainsi la trajectoire de la particule. Cette dernière, selon les paramètres, fournit alors des informations sur la charge et la masse des particules. * Le compteur Geiger détecte les particules α, β, γ. Cas des OEM : * L œil constitue un détecteur naturel. Les cellules de la rétine sont photosensibles et engendrent un message électrique transmis au cerveau par le nerf optique. * Une antenne permet de capter les ondes radio qui y engendrent une vibration électronique et donc un signal électrique. * Un capteur CCD est constitué de nombreuses cellules photoélectriques (pixels) qui produisent un signal électrique en fonction du domaine spectrale incident. Contraintes d observation Si tout le rayonnement est absorbé par une matière, celle-ci est dite opaque à ce rayonnement et empêche alors sa détection. La détection nécessite donc une matière transparente afin que tout le rayonnement ne soit pas absorbé. Ainsi, on préfère utiliser les RX pour étudier un squelette car non absorbé par les organes et la peau (mais par l air) ou pour regarder à travers un sac ou une valise. L absorption des rayons X, γ et d une partie des UV par l atmosphère impose la satellisation d instruments de détection (télescope Hubble). Rq : * Une antenne-rateau augmentaient le nombre d OEM détectées et donc la qualité de l information. Une antenne parabolique (copie forme œil) facilite encore plus la concentration des rayonnements. 4. Réutilisations par l Homme. Dans tous les domaines, l Homme s est inspiré de la Nature et des phénomènes dans l Univers pour inventer améliorer son confort et bien-être dans la vie de tous les jours. Le domaine des OEM ne fait pas exception : Ondes radio : géolocalisation (GPS), téléphonie mobile, radiodiffusion, télévision, wi-fi Micro-ondes : four à micro-ondes (ondes à 2,5 GHz qui permet de faire vibrer les molécules d eau) IR : télécommande, vision nocturne ( émet IR), thermomètre auriculaire, effet de serre (Terre émet IR) UV : cabine de bronzage, détection faux billet, potabilisation de l eau, le Soleil RX : radiographie médicale (les os absorbent les rayons X et apparaissent blancs, cf photo) Rγ : éléments radioactifs, scintigraphie, radiothérapie anticancérigène M.Meyniel 5/7

6 II. Les ondes dans la matière. 1. Nature de ces ondes. Certaines ondes ne peuvent pas se propager dans le vide. Elles nécessitent un milieu matériel pour se propager. On parle des ondes mécaniques. 2. Source, manifestations et détection des ondes mécaniques. Pour donner naissance à une onde mécanique, un apport d énergie dans un milieu matériel est nécessaire. La perturbation se propage alors à partir de la source (lieu de naissance) modifiant localement et temporairement certaines propriétés (vitesse, position, pression, ) du milieu matériel dans lequel elle se trouve. Document 3 : Exemples d ondes mécaniques * Le vent apporte l énergie à la surface de l eau engendrant la houle : mouvement ondulatoire à la surface de la mer. Lors de tempête, elle peut être forte et détruire des constructions (digues, ports, ), * La membrane d un haut-parleur vibre comprimant puis dilatant la couche d air avec laquelle elle est en contact engendrant des ondes sonores : les molécules de gaz se rapprochent (compression) puis s éloignent (dilatation) les unes des autres engendrant des variations de pression. Si ces variations sont très rapides et de grandes amplitudes, on parle d onde de choc produite par une explosion ou un vol supersonique. Les effets destructeurs peuvent être alors importants. * La rupture des roches au niveau des zones de contact entre les plaques tectoniques engendre des ondes sismiques : l analyse des tracés des sismographes permet de définir trois types d ondes. - Les ondes les plus rapides, les premières à s inscrire sur le sismographe, sont appelées les ondes primaires ou ondes P. Elles correspondent à des mouvement longitudinaux. Leur vitesse varie de 3,5 à 14 km.s -1 selon les roches traversées. - Les ondes secondaires ou ondes S correspondent à des mouvements transversaux. Elles se propagent 1,7 fois moins vite que les ondes P. - Les ondes L, ondes de surface, sont les plus lentes mais ont une grande amplitude. Elles correspondent à des mouvements très complexes de «torsion» du sol. Les ondes S et L sont les plus destructrices. L énergie libérée est souvent mesurée par rapport à l échelle logarithmique de Richter (chaque unité correspond à une multiplication par 10 environ). Les ondes mécaniques, comme les OEM, transportent de l énergie sans transporter de matière. Document 4 : Détection des ondes mécaniques Comme pour les OEM, un capteur permet de transformer une grandeur physique du milieu modifiée par la perturbation en une grandeur facile à exploiter, souvent en énergie électrique. Ex : * Dans un sismomètre, des capteurs électromécaniques transforment les mouvements du sol en signaux électriques. * Dans notre oreille, les cellules ciliées derrière le tympan oscille avec l air engendrant des signaux électriques véhiculés par le nerf auditif. Il en va de même pour un microphone. Réutilisations par l Homme : Les données électriques recueillies par les capteurs permettent l exploitation des informations transmises. Ex : * Les données sismiques permettent de géolocaliser l épicentre d un séisme, de calculer la vitesse des ondes, de connaître les propriétés des couches traversées, * Lors d une échographie, des ondes ultrasonores sont envoyées par l émetteur. A chaque interface des tissus rencontrés, ces ondes sont en partie réfléchies et en partie transmises. Le récepteur capte alors les ondes réfléchies et engendre un signal électrique. Un traitement numérique des données collectées permet la reconstitution d une image. * Utilisation des ultrasons pour déterminer à quel moment récolter les cannes à sucres puisque la vitesse des ultrasons dépend de la concentration en sucre. Ainsi, la production peut être optimisée. M.Meyniel 6/7

7 3. Le niveau d intensité sonore. L oreille humaine normale perçoit des sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 khz fréquence (Hz) infrasons sons audibles ultrasons longueur d onde (m) 17 sensibilité maximale 0,017 de l oreille Certains sons captés par l oreilles sont perçus de manière désagréable voire douloureuse selon l intensité sonore. L intensité sonore caractérise la puissance énergétique reçue par l oreille et s exprime en W.m -2. Pour l oreille humaine, un son est perceptible si l intensité sonore est comprise entre (seuil d audibilité) et 25 W.m -2 (seuil de douleur). Or cette sensation physiologique n est pas proportionnelle à cette intensité sonore. En effet, lorsque l on assiste à un concert, les intensités sonores dues à chaque instrument s ajoutent, mais le son ne paraît pas proportionnellement plus fort. C est pourquoi, on définit une nouvelle grandeur liée à la sensibilité de l oreille humaine qui utilise une échelle logarithmique est aisée à exploiter : le niveau sonore L (level). Le niveau d intensité sonore est défini par la relation : L = 10.log ( I I 0 ) avec I 0 = 1, W.m -2 L s exprime en décibel (db). (seuil d audibilité) Le niveau sonore varie entre 0 (seuil d audibilité) et 120 db (seuil de douleur) et se mesure avec un sonomètre. Ex d application : Soit 2 bassistes jouant à la même intensité sonore. Quelle est la variation du niveau sonore perçu par l oreille si un seul bassiste jouait juste précédemment toujours à la même intensité? A faire Lorsque l intensité sonore est multipliée par 2, le niveau sonore augmente de 3 db. Rq : * La durée d exposition joue un rôle sur les effets du bruit supporté : douleur au bout de 15 min près de travaux publics à 110 db. Conclusion : Les ondes et les particules constituent donc des supports d information pour les objets célestes et leur composition (particules + radiations émises/absorbées), leur température et pour la Terre et sa composition interne avec les ondes sismiques. Leur observation est donc primordiale. Et pour avoir accès à ces informations, l Homme a développé des détecteurs toujours plus performants en tenant compte des contraintes existantes. Ainsi, il a pu déterminer les caractéristiques de ces ondes et en étudier les propriétés afin de les réutiliser. C est ce que nous continuerons à voir dans le prochain chapitre. Compétences - Extraire et exploiter des informations sur l absorption de rayonnements par l atmosphère terrestre et ses conséquences sur l observation des sources de rayonnements dans l Univers. - Connaître des sources de rayonnement radio, IR et UV. - Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière. - Connaître et exploiter la relation liant le niveau d intensité sonore à l intensité sonore. - Extraire et exploiter des informations sur : des sources d ondes et de particules et leurs utilisations / un dispositif de détection. - Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection. M.Meyniel 7/7