Chapitre 1 : (Cours) Ondes et particules, supports d information

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1 Chapitre 1 : (Cours) Ondes et particules, supports d information Depuis plus d un siècle, les scientifiques étudient les rayonnements invisibles provenant de l Univers. C est ainsi que l on a pu mieux comprendre l Univers. Quelles informations obtient-on en sondant le ciel dans toutes les longueurs d onde du spectre électromagnétique? Quels dispositifs permettent de détecter les particules et ondes? Quels sont les effets des ondes dans la matière? I. Rayonnements dans l Univers I.1. Nature diverse des rayonnements En physique, un rayonnement correspond à la propagation d énergie émise par une source. Il peut s agir d un rayonnement électromagnétique (déplacement d énergie pure), ou d un rayonnement de particules (déplacement d énergie s accompagnant de matière). Les ondes électromagnétiques (quelque soit leur longueur d onde) voyagent avec la célérité c = 3, m.s -1. Les particules voyagent à des vitesses proches de celles de la lumière. (On parle de vitesse «relativiste»). I.2. Source des rayonnements Dans l Univers, de nombreux objets sont sources de particules : les supernovae, les sursauts gamma, les noyaux actifs de galaxie,... Ce rayonnement cosmique est constitué de particules élémentaires (protons, neutrons, électrons, neutrinos,...) ou de particules plus lourdes (particules alpha, ion deutérium, ), éjectées à grande vitesse. Les étoiles sont essentiellement sources de rayonnements électromagnétiques. On décompose ces rayonnements en fonction de leur longueur d onde (ou de la fréquence, ou de l énergie) qu ils transportent. Les sources de rayonnements électromagnétiques diffèrent selon l énergie des photons associés : Les rayonnements ionisants (X ou γ) sont créés par des pulsars (étoile à neutrons tournant très rapidement sur elles-mêmes) et des trous noirs (étoiles en effondrement gravitationnel sur elles-mêmes). Les ondes infrarouges proches, visibles et ultraviolettes ont pour principales sources des étoiles. Les ondes infrarouges lointaines sont émises par les poussières et nuages de gaz interstellaires. Les ondes radio sont produites par certaines étoiles en fin de vie, et le fond diffus cosmologique (trace du Big-Bang). Chapitre 1 : Ondes et particules, supports d information Page 1

2 Dans la vie pratique, ces rayonnements sont aussi omniprésents. Les rayons X permettent de réaliser des radiographies, les UV sont les rayons du Soleil qui provoquent les érythèmes (coups de soleil), les diodes infrarouges sont utilisées dans les télécommandes, les ondes radio servent pour les télécommunications,... II. Dispositifs de détection des ondes et particules II.1. Détection des rayonnements électromagnétiques Quel que soit le domaine du spectre, tous les instruments d observation des rayonnements électromagnétiques reposent sur le même principe : un récepteur concentre et dirige le rayonnement vers un détecteur spécifique. Exemple : télescopes du VLT, radiotélescope d Arecibo, œil,... Chaque détecteur possède une plage de longueurs d onde à laquelle il est sensible. (On le remarque à la taille du détecteur). Cela correspondra donc à l étude des phénomènes dans un domaine du spectre particulier. Exemple : domaine visible pour l œil humain. II.2. Détection des particules La détection de particules s effectue directement ou grâce aux effets de leurs interactions avec la matière. Exemples : Les électrons ionisent la matière ou créent un courant électrique dans un circuit. Le rayonnement cosmique interagit avec l atmosphère terrestre. Il se forme alors une gerbe de particules secondaires que l on peut détecter au sol. III. Contraintes d observation des rayonnements Pour pouvoir détecter le rayonnement émis par une source, il faut qu il parvienne jusqu au détecteur. Ainsi, il ne doit être ni dévié, ni absorbé sur son parcours. III.1. Interaction matière - rayonnement Le rayonnement électromagnétique correspond à de la lumière (même si elle n est pas visible par l œil humain). Ainsi, il se propage dans tous les milieux transparents, y compris le vide. Mais s il se propage dans un milieu matériel, il peut interagir avec lui. Par exemple, il peut être absorbé par le milieu (milieu opaque). Le milieu peut avoir un comportement différent pour des domaines de longueurs d onde différents : Une feuille de gélatine colorée jaune est transparente pour la lumière jaune mais opaque pour la lumière bleue. Les chairs sont opaques à la lumière visible mais pas aux rayons X (ce qui permet de faire une photographie des os). III.2. Fenêtres atmosphériques et observations spatiales Lorsque les détecteurs sont placés sur le sol terrestre, le rayonnement en provenance de l Univers doit traverser l atmosphère terrestre, et peut interagir avec elle. Les rayonnements X et UV sont absorbés par l atmosphère (diazote, ozone,...). Les rayonnements dont les longueurs d onde sont comprises entre 1 μm et 1 cm sont presque totalement absorbés par la vapeur d eau et le dioxyde de carbone. Les rayonnements de longueurs d onde élevées sont absorbés par les espèces chimiques ionisées de la haute atmosphère. Chapitre 1 : Ondes et particules, supports d information Page 2

3 L atmosphère est transparente pour deux fenêtres : le domaine visible et le domaine radio. Pour ces deux fenêtres, l observation de l Univers peut se faire depuis le sol terrestre. Pour les autres domaines de longueurs d onde, il faut effectuer les observations avant que le rayonnement ne traverse l atmosphère, donc grâce à des télescopes spatiaux (en orbite autour de la Terre ou situés plus loin). IV. Les ondes mécaniques dans la matière IV.1. Rappels sur les ondes mécaniques (Seconde) Une onde est la propagation d une perturbation sans transport de matière. Exemples : vague à la surface de l eau, ola dans un stade, son,... Les ondes sonores sont des vibrations qui se propagent dans un milieu. On parle d ondes mécaniques. Une onde sonore a besoin d un milieu pour se propager (gaz, liquide, solide), elle ne peut pas se propager dans le vide. Dans l air, à la température ambiante (environ 25 C), les ondes sonores se propagent à la vitesse v son = 340 m.s -1. IV.2. Différents types d ondes Dans un milieu matériel, les ondes mécaniques peuvent être de plusieurs types : les ondes de compression/dilatation (comme les ondes sonores), provoquant un déplacement local des points du milieu dans la direction de propagation ; les ondes de cisaillement, ne se propageant que dans les solides, et provoquant un déplacement local des points du milieu dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation ; Du fait de l élasticité de la matière terrestre, les ondes sismiques provoquent des déformations qui se propagent. La déformation d une onde P s effectue dans la même direction que celle de la propagation. La déformation d une onde S s effectue dans une direction perpendiculaire à celle de la propagation. les ondes de surface (ex : la houle), se propageant à l interface entre deux milieux, et combinant les caractéristiques des deux autres types d onde. Chapitre 1 : Ondes et particules, supports d information Page 3

4 IV.3. Propagation d énergie et amortissement Quel que soit le type d ondes qui se propagent dans un milieu, leur propagation s accompagne toujours d un transport d énergie. Si, au cours de la propagation, une partie de l énergie propagée est dissipée dans le milieu (par frottements, échauffement...), alors l amplitude de l onde diminue : l onde est amortie. IV.4. Détection des ondes mécaniques De nombreux dispositifs permettent de détecter des ondes mécaniques. Les sismomètres permettent de détecter des ondes sismiques et de repérer l épicentre d un séisme. Notre oreille détecte les ondes sonores et les transforme en signal électrique qu elle envoie au cerveau pour qu il les interprète. Un échographe émet des ondes ultrasonores, et détecte l écho de ces ondes après leur réflexion sur les parois des organes internes d un être humain. Ensuite, un logiciel reconstitue l ensemble des mesures effectuées pour créer une carte des organes. IV.5. Niveau d intensité des ondes mécaniques Magnitude des séismes : Les effets des ondes sismiques dépendent de leur amplitude ou de l énergie qu elles dissipent : les conséquences d un séisme peuvent être désastreuses (destruction de bâtiments, glissements de terrain, tsunamis,...). Pour mesurer l énergie libérée au foyer d un séisme, on mesure la magnitude de ce séisme. Plus le séisme dégage d énergie, plus la magnitude est élevée. On cite souvent l échelle ouverte de Richter pour les magnitudes, même si elle n est plus utilisée (on utilise l échelle des moments). Dans les deux cas, ce sont des échelles logarithmiques (logarithme décimal), ce qui signifie que l ajout d une unité sur l échelle correspond à une multiplication par 10 de l amplitude de l onde, soit une multiplication par 30 de l énergie dégagée. Le terme échelle ouverte signifie qu il n y a pas de limite supérieure. Niveau d intensité sonore : L intensité sonore I d une onde est l énergie transportée par une onde sonore, par unité de temps et de surface. Elle s exprime en W.m -2. L intervalle des intensités sonores perceptibles par l oreille humaine est très étendu. Ainsi, on utilise une échelle logarithmique pour comparer les niveaux d intensités sonores entre eux. Le niveau d intensité sonore est alors défini comme L 10log I, où : I0 «L» est le niveau d intensité sonore d un son (en décibels db) ; «I» est l intensité sonore de ce son (en W.m -2 ) ; «I 0» est l intensité sonore d un son de référence (en W.m -2 ) : I 0 : 1, W.m -2 ; «log» est la fonction logarithme décimal. Ainsi, lorsque l intensité sonore est multipliée par deux, le niveau d intensité sonore augmente de 3 db. Les sons perceptibles par l oreille humaine sont compris entre 0 db (seuil d audibilité, choisi comme valeur de référence) et 130 db (seuil de la douleur) Chapitre 1 : Ondes et particules, supports d information Page 4

5 ****************************************************************** 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). 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 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. Chapitre 1 : Ondes et particules, supports d information Page 5

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