Dans le cadre du. Tout s éclaire! Dossier pédagogique pour l enseignant. Le contenu des ateliers est donné à titre indicatif et pour mémoire.

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1 Dans le cadre du Tout s éclaire! Dossier pédagogique pour l enseignant Le contenu des ateliers est donné à titre indicatif et pour mémoire. Les animateurs adapteront leur message en fonction du public : n ayez pas peur d une matière trop facile ou au contraire trop compliquée pour vos élèves. Haute Ecole de Namur-Liège-Luxembourg Département Ingénieur Industriel de Pierrard-Virton Dossier pédagogique 1

2 Table des matières 1. Transmettre des informations avec la lumière Réflexion lumineuse La fibre optique Expérience Matériel Mise en place Constat Quelques applications dans la vie courante La lumière, source d énergie Les panneaux photovoltaïques Fonctionnement Quelques applications Interrupteur crépusculaire Détecteur de présence Expérience Matériel Mise en place Constat La lumière invisible Les infrarouges Historique de l infrarouge Expérience Matériel Mise en place Constat Quelques applications pratiques Dossier pédagogique 2

3 1. Transmettre des informations avec la lumière 1.1. Réflexion lumineuse Tout rayon lumineux envoyé sur un corps matériel est en partie réfléchi. Il est important de noter que le taux de réflexion du rayon varie en fonction du type de matériau. On peut voir que le rayon incident, orienté d un certain angle par rapport à la normale, est réfléchi de manière symétrique par rapport à la normale. On peut donc dire que l angle d incidence α, est égal à l angle de réflexion β ; c est la loi de la réflexion sur une surface plane. Dossier pédagogique 3

4 1.2. La fibre optique La fibre optique est un guide cylindrique constitué d un cœur dans sa partie centrale et entouré d une gaine. Ce système de transmission permet d éliminer les interférences électromagnétiques causées par les câbles électriques. C est également un moyen peu couteux pour transmettre de grandes quantités de données de manière sûre. Le système de transmission utilisé est un faisceau lumineux concentré qui va se propager dans le cœur de la fibre grâce à la loi de la réflexion. Le faisceau est émis par un laser ou une LED avec une certaine fréquence, correspondant à l information à transmettre. Au bout de la fibre, le rayon est capté par un composant électronique qui va décoder l information transmise. Dossier pédagogique 4

5 1.3. Expérience Matériel - Un lecteur MP3 - Un circuit électronique émetteur - Une fibre optique plastique - Un miroir - Un circuit récepteur muni d un haut-parleur Mise en place 1. Brancher le circuit électronique. 2. Connecter la fibre optique au circuit émetteur. 3. Ajuster le miroir pour que le rayon lumineux sortant de la fibre arrive sur le capteur du circuit récepteur. 4. Brancher le lecteur MP3. 5. Lancer de la musique et savourer l instant Constat La LED s allumant et s éteignant avec une fréquence très importante, l œil humain n est pas capable de distinguer ces variations. Mais nous pouvons constater que la musique est bien transmise d un circuit à l autre au moyen de lumière. Dossier pédagogique 5

6 1.4. Quelques applications dans la vie courante Le premier domaine dans lequel la fibre optique fut très importante est le domaine médical. En effet, pour diagnostiquer certaines maladies, on illumine des organes en apportant de la lumière à l intérieur du corps au moyen de fibre optique. La fibre optique est notamment utilisée dans la télécommunication, que ce soit pour les raccordements téléphoniques, internet, etc. La fibre est également utilisée dans le domaine ferroviaire dans le but de remplacer les câbles de cuivre reliant les diverses parties du réseau. Dossier pédagogique 6

7 2. La lumière, source d énergie 2.1. Les panneaux photovoltaïques Fonctionnement Le panneau photovoltaïque est une technologie qui va capter l énergie solaire, et ensuite, le convertir en énergie électrique. Les particules d énergie du rayonnement solaire sont appelées photons. Les panneaux photovoltaïques sont constitués d une multitude de cellules raccordées entre elles. Les cellules photovoltaïques sont constituées de deux parties principales, une couche de silicium dopé négativement et une couche de silicium dopé positivement. Lorsque les photons pénètrent dans les couches de silicium, il y a un transfert d électron entre les différentes couches de la cellule. Ce mouvement d électron va alors créer un courant électrique. Il est important de remarquer qu il existe des panneaux qui fonctionnent avec d autres matériaux que du silicium. Dossier pédagogique 7

8 Quelques applications Le panneau photovoltaïque est assez répandu dans les ménages pour la fabrication d électricité ménagère. On peut voir de plus en plus de systèmes photovoltaïques portatifs pour pouvoir recharger son téléphone portable partout, pour peu qu il y ait de la lumière. Il existe un avion intégralement recouvert de cellules photovoltaïques sur sa partie visible par le soleil, ce qui lui permet de voler de manière totalement autonome. Cet engin se nomme SolarImpulse. Il faut savoir que la station spatiale internationale produit également son énergie au moyen de panneaux photovoltaïques. Dossier pédagogique 8

9 2.2. Interrupteur crépusculaire L interrupteur crépusculaire est un dispositif qui va laisser passer le courant ou non, en fonction de l éclairement du milieu dans lequel il est placé. On retrouve ce dispositif dans le système d allumage automatique des phares de voiture, ou encore pour des lampes extérieures quelconques Détecteur de présence Le détecteur de présence est constitué d un rayon lumineux et d un récepteur. Lorsque le récepteur ne reçoit pas le rayon, c est-à-dire que le rayon est coupé, un témoin s allume, indiquant la présence d un obstacle. Ce système est généralement utilisé dans les systèmes d alarme. Dans ce cas, on utilise un rayon infrarouge, invisible à l œil nu Expérience Matériel - La maquette d une maison - Un boitier électronique - Un ensemble de fiches bananes Mise en place 1. Brancher la maquette sur le secteur. 2. Réaliser le câblage à l aide des fiches bananes sur le boitier électronique. 3. Interagir avec les différents éléments de la maquette qui sont le panneau photovoltaïque, l interrupteur crépusculaire et le capteur de présence. Dossier pédagogique 9

10 Constat Les élèves vont pouvoir apprendre comment fonctionnent les différents composants utilisés sur la maquette. En effet, pour beaucoup, ces systèmes que l on croise régulièrement n ont peut-être jamais été abordés de manière explicative et didactique. Voici donc une opportunité pour répondre à des questions et pour en susciter d autres. Dossier pédagogique 10

11 3. La lumière invisible 3.1. Les infrarouges Lors de la décomposition de la lumière blanche, on peut voir les différents spectres qui la composent (les couleurs de l arc-en-ciel). Parmi ces spectres, il y a l infrarouge et l ultraviolet à chaque extrémité que l œil humain ne peut pas voir. Le rayonnement infrarouge est synonyme de chaleur. En effet, un corps chaud va émettre plus d infrarouges qu un corps froid. L émission d infrarouges peut se voir au moyen d une caméra thermique, avec en rouge, les zones les plus chaudes et, en bleu, les zones les plus froides. On peut ainsi voir, par exemple, les zones de déperditions thermiques importantes Historique de l infrarouge Le rayonnement infrarouge fut découvert en 1800 par William Herscel, un astronome anglais. Il démontra, au moyen de thermomètres, qu il existait un spectre invisible dans la décomposition de la lumière blanche proche du rouge. En effet, grâce aux thermomètres, il put montrer la température de chaque couleur, et montra que la température augmentait fortement juste après le rouge, il y avait donc quelque chose d invisible. Dossier pédagogique 11

12 3.3. Expérience Matériel - Trois thermomètres - Un prisme - Une lentille - Une lampe avec une ampoule à incandescence Mise en place 1. Disposer la lentille et le prisme à bonne distance de la source lumineuse. 2. Allumer la lampe. 3. Disposer les thermomètres de manière à voir une augmentation de la température, dans l évolution des couleurs, et juste après le rouge Constat Les élèves vont remarquer une augmentation significative de la température et donc se rendre compte qu il existe un spectre invisible dans la lumière, l infrarouge Quelques applications pratiques Les rayons infrarouges sont notamment utilisés par de simples télécommandes, comme celle de la télévision, de la radio, etc. Ils sont également utilisés comme chauffage. En effet, les spots chauffants dégagent énormément d infrarouges. Le rayonnement infrarouge nous permet également de voir dans le noir, grâce à des lunettes infrarouges ou à des caméras infrarouges. Dossier pédagogique 12