chap1 : ondes et particules

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1 Comment détecter les rayonnements dans l Univers? 1. Activité de découverte : Instruments d astronomie Un instrument d astronomie permet de capter et d enregistrer le rayonnement visible et invisible émis par les astres. Petit historique : Les premiers astronomes observaient le ciel à l œil nu. Au XVIIe siècle, les lunettes astronomiques et les télescopes apparaissent: ces instruments permettaient d observer que les astres les plus lumineux. Au XIXe siècle, on commence à utiliser la photographie. Une pellicule photo est photosensible : plus la quantité lumière reçue par la pellicule est importante, plus le contraste final sur la pellicule est grand. Pour augmenter la quantité de lumière reçue, il suffit de laisser l appareil photo dirigé vers les astres à observer pendant plusieurs heures. Ainsi, si le temps de pose est suffisamment long, certains astres peu lumineux peuvent apparaître sur la pellicule. Au XXe siècle, l électronique fait son apparition : on utilise des photocapteurs plus sensibles que les pellicules photo. Mais, tous ces appareils se limitent à une observation du domaine visible des ondes électromagnétiques : l étude d une importante partie du spectre électromagnétique est ignorée. Questions : 1. Rappeler les longueurs d onde limite du spectre visible de la lumière : donner les couleurs correspondantes. 2. Une onde électromagnétique peut-elle se propager dans le vide? Si oui, quelle est sa vitesse dans le vide? comment s appelle cette vitesse? 3. Rappeler la relation entre fréquence et longueur d onde pour une onde électromagnétique se propageant dans le vide. Préciser la signification et les unités de chaque terme. 4. Citer au moins deux rayonnements invisibles à l œil nu. 5. Existe t-il des rayonnements autres que rayonnement electromagnetique? TS- Mme GARCIA 1/9

2 Absorption par l atmosphère terrestre chap1 : ondes et particules 6. Déduire la définition d un rayonnement :. 2. Activité documentaire : Sonder l Univers depuis la Terre (diaporama) Document 1 : (source NASA) Questions : a) Sur le document 1, quelle grandeur est représentée en abscisse? b) En Astronomie, quels sont les domaines difficilement observables depuis la surface de la Terre? c) Quelles sont les longueurs d onde observées par un radiotélescope? d) Donner des exemples d ondes radio issues de l activité humaine pouvant perturber la radiodétection. e) Comment observer les rayonnements non détectables depuis la terre? f) Pourquoi les radiotélescopes sont-ils généralement placés à la surface de la Terre? Comment les scientifiques limitent-ils la gêne des rayonnements artificiels en radiodétection? 3. Activité documentaire : Sonder la Terre (diaporama) TS- Mme GARCIA 2/9

3 Sources de rayonnement artificiel : ondes radio, UV, visible et IR Document 1 : Rayonnement artificiel sur Terre(source : Site internet de l Agence Spatiale Canadienne) Les rayonnements électromagnétiques non thermiques sont utilisés presque exclusivement par les humains dans les domaines des télécommunications et du divertissement. [ ] La fréquence du rayonnement est habituellement contrôlée en utilisant les fréquences oscillatoires naturelles de cristaux de quartz. Cette méthode est utilisée pour générer toutes sortes de rayonnements électromagnétiques, des fours à micro-ondes aux radars, en passant par des signaux de télévision et des ouvre portes de garage. L environnement dans lequel nous vivons est littéralement rempli de rayonnements électromagnétiques non thermiques générés artificiellement, provenant de dizaines de milliers d émetteurs à travers le monde. Ceux-ci vont des signaux locaux de téléphonie cellulaire aux faisceaux multiples de signaux de télévision envoyés sur Terre par les satellites géostationnaires. Si nos yeux pouvaient détecter les ondes radio, nous serions probablement aveuglés par la brillance de notre environnement dans toutes les directions, partout, jour et nuit! La Terre est près d un million de fois plus brillante que le Soleil aux longueurs d onde de type radio. Le rayonnement électromagnétique non thermique et artificiel est obtenu à l aide cristaux de quartz. Ces cristaux sont des matériaux piézo-électriques. Ainsi, quand on applique une pression, et donc une déformation au quartz, celui-ci est capable de fournir une tension électrique. Inversement, si on soumet le quartz à une tension, celui-ci se déforme. Document 2 : Sources lumineuses En faisant passer un courant électrique dans le filament d une ampoule, la température du filament s élève : la couleur de la lumière émise par cette ampoule dépend alors de la température du filament. Les lampes halogènes contiennent un filament au tungstène chauffé à 3200 K : une température plus élevée que dans les ampoules à filament classique. Ainsi la lumière fournie par une ampoule halogène est plus blanche et donne un meilleur rendu des couleurs, mais émet aussi des UV. C est pourquoi une ampoule halogène a toujours un verre de protection qui absorbe les UV. L inconvénient des sources thermiques est qu une grosse partie de l énergie électrique n est pas utilisée pour produire de la lumière, mais de la chaleur. Document 3 : Intensité lumineuse en fonction de la longueur d onde pour un corps chaud Un corps chaud émet un spectre électromagnétique dont le pic dépend de sa température Document 4 : TS- Mme GARCIA 3/9

4 Loi de Wien On rappelle la loi de Wien qui relie la température T en Kelvin du corps chaud et la longueur d onde du maximum d intensité λ max en mètre : max x T = constante de Wien = 2, m.k Questions 1. A propos du rayonnement électromagnétique d origine non thermique a. Quel est le composant essentiel à l obtention de rayonnement électromagnétique artificiel d origine non thermique?. b. Citer des exemples d appareils émettant des rayonnements électromagnétiques artificiels d origine non thermique. c. Y a-t-il un risque sanitaire au fait d être soumis en permanence aux rayonnements électromagnétiques? 2. A propos du rayonnement électromagnétique d origine thermique a. A l aide de la loi de Wien, calculer la longueur d onde du maximum d intensité pour une lampe halogène. b. A quelle zone de rayonnement appartient elle? c. Toujours en utilisant la loi de Wien, expliquer comment évolue la longueur d onde du maximum d intensité en fonction de la température du corps chaud. TS- Mme GARCIA 4/9

5 4. Activité documentaire : Sonder l Univers depuis la Terre (diaporama): Les ondes dans la matière. La flamme d une bougie vibre devant le boomer (HP ders sons graves) d une enceinte. La houle, mouvement d ondulation à la surface de la mer, générée par le vent en haute mer, peut Etre utilisée pour produire de l électricité. Par exemple à l aide de bouées houlomotrices Port-au-Prince, capitale d Haïti, a été dévastée par une énorme tremblement de terre la mardi 12 janvier 2010 à 16h 53 (heure locale). Le séisme a été provoqué par un mouvement coulissant (de 1 à 2 m sur environ 70 km de long). Le foyer, endroit où le mouvement s amorce, se trouvait à une faible profondeur (environ 10 km au-dessous de la surface du sol) et à environ 25 km de Port-au-Prince. La secousse principale a duré 2 minutes et 30 secondes Pour chaque type d onde de matière (onde sonore, houle et onde sismique), répondre aux questions ci-dessous : 1. Quelle est l origine de la perturbation? 2. Quel est le milieu matériel perturbé? 3. Comment se manifeste la perturbation du milieu? 4. Justifier que la perturbation se propage de proche en proche sans transport de matière. 5. Expliquer pourquoi on peut dire qu une perturbation transporte de l énergie. TS- Mme GARCIA 5/9

6 6. Donner la définition d'une onde mécanique:. Exemple 1 : les séismes (diaporama) Questions 1. Comparer la direction de propagation des ondes P et S à celle des déformations provoquées. En déduire lesquelles sont dites longitudinales et lesquelles transversales? 2. Sachant que les ondes mécaniques suivent les mêmes lois de propagation que la lumière, expliquer à l aide de la figure 7 pourquoi à l intérieur du globe, les ondes ne se propagent pas en ligne droite. 3. Comment expliquer que les ondes S ne se propagent pas au-delà de 2900km de profondeur? 4. Quelles grandeurs sont portées en abscisse et en ordonnée sur les axes de l enregistrement? Dans la croute continentale, les vitesses des ondes P et S sont variables mais elles obéissent à la relation : 1/v S 1/v P = 1/8 avec les vitesses en km.s -1. TS- Mme GARCIA 6/9

7 5. D après les documents, l énergie libérée reste-t-elle localisée au voisinage du foyer? 6. Laquelle des deux ondes S ou P est la plus rapide? déterminer leur décalage Δt sur le lieu de l enregistrement. 7. Montrer que la relation qui lie la distance entre le foyer du séisme et le lieu d enregistrement et le décalage Δt est : Δt = d (1/Vs-1/Vp) 8. En déduire la distance du foyer du séisme. 9. L énergie d un séisme ΔE est donnée par la relation log ΔE =1,5M + 4,32 où M est la magnitude du séisme. Calculer l énergie émise par le séisme de Haïti. 10. Pourquoi caractériser un séisme par sa magnitude plutôt que par l énergie libérée au foyer? Exemple 2 : les ondes sonores :TP : Comment rendre son prof fou? Titeuf n aime pas l école et essaye par tous les moyens de ne plus y aller. Il a entendu que le niveau d intensité sonore de la sonnerie d un téléphone portable pouvait atteindre 70 db. «En faisant sonner deux téléphones portables en même temps dans le bureau de la maîtresse, le bruit va être d enfer J ai lu qu à partir de 130 db on est au-delà du seuil de douleur.la maîtresse va devenir DINGUE. Et donc plus d école» Proposer un protocole expérimental prouvant à Titeuf que son hypothèse est fausse. : TS- Mme GARCIA 7/9

8 Activité d investigation : Faut-il croire le vendeur? Lors de l achat d un lave-vaisselle, vous hésitez entre deux modèles dont la différence se situe sur le niveau d intensité sonore : Donnée D : Correspondance entre L et I. Le vendeur vous dit que cette différence n est pas énorme puisqu elle n est que de 10 db. Faut-il le croire? Données : fiches énergétiques machine à laver Modèle 1 Modèle 2 Quelques pistes à utiliser Comparer les intensités et les niveaux d'intensité du seuil d audibilité et du seuil de douleur. TS- Mme GARCIA 8/9

9 Quelle est l utilité de cette autre échelle? Selon les sources d information le seuil de douleur est de 1 W.m -2 ou de 10 W.m -2, calculer les valeurs de niveau d intensité sonore correspondantes. Comparer les écarts en intensité sonore et en niveau d intensité. Conclusion sur l affirmation du vendeur: Compétences exigibles 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, infrarouge et ultraviolet. 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 oeuvre un capteur ou un dispositif de détection. 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. TS- Mme GARCIA 9/9