TP 1 : Détecteurs d'ondes et de particules - Correction

Transcription

1 TP : étecteurs d'ondes et de particules - Correction Objectifs : Extraire et exploiter des informations sur des sources d'ondes et de particules et sur un dispositif de détection. Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un dispositif de détection. I ) Source d'ondes : les séismes! a ) Localisation d'un épicentre Chaque jours la planète est secouée par des séismes, certains sont destructeurs et d'autres imperceptibles. Comment les scientifiques arrivent-il à localiser précisément ces tremblements de Terre? Lire les documents ci-dessous et répondre aux questions qui suivent. Tremblement e Terre en France Le 3 août 20 un séisme de magnitude 4,5 s'est produit à proximité de Barjac dans le Gard. Sa profondeur a été estimée à 2 km. Lors de ce séisme des ondes ont atteint 3 sismographes (CIVF, EMCF, AIXF) du réseau CSE de la France dont voici les relevés. ébut des ondes S ébut des ondes P 5,5 cm Échelle : 4 cm 2 min Lors d'un séisme, les ondes traversent la Terre, on distingue alors 2 types d'onde : Les ondes P : ondes primaires car elles sont les plus rapides. Elles ont caractérisées par des zones de compression et de dilatation de la matière qu'elle traverse. Les ondes S : ondes secondaires, appelées également ondes de cisaillement ou ondes transversales, elles sont plus lentes que les ondes P. Onde P Onde S

2 On recueil dans la littérature la vitesse de ces ondes en fonction de la profondeur. On donne ci-dessous la carte localisant la position de chaque sismographe : 50 km Questions ) Repérer sur les courbes les ondes P et S ainsi que leur schéma correspondant. Mesurer pour chaque sismographe l'heure tp et ts d'arrivée de ces ondes. Pour AIXF, après avoir utilisé l'échelle et la règle, nous avons Pour EMCF, nous avons Pour CIVF, nous avons { { t p = h 36min 36s t s =h 36 mn 57s t p = h 36min 45 s t s =h 37 mn5 s { t p = h 36min 33s t s =h 36 mn 50s

3 Remarque : pour mesurer ces heures, on utilise l'échelle, exemple pour AIXF on mesure un longueur de 5,5 cm entre h 34 min et le début des ondes P. 5,5 2 onc cela on fait =2,75 min=2 min 45s de plus par rapport à h 34 min soit h 36 min 45 s. 4 Rappel : 2,75 min = 2 min + 0,75 min or 0,75 min = 0,75 60 s = 45 s ( min = 60 s) 2 ) Soit la distance séparant l'épicentre du sismographe, soit t0 l'heure à laquelle se produit le séisme. On note vp et vs la célérité de ces ondes. Trouver alors la relation entre, t 0,vP et tp. Faire de même avec, t0, vs et ts. Les vitesses des ondes S et P sont par hypothèse supposées constantes. Nos avons la relation générale v = Soit ici avec la notation de l'énoncé : v P =. Δt et de même v S =. t P t 0 t S t 0 3 ) Généralement on ne connaît pas l'heure t0, déterminer alors une relation entre, vp, vs, tp et ts. Nous avons deux relations avec 2 inconnues ( et t0), on recherche t0. On peut écrire : t P t 0 = On peut soustraire ces 2 relations pour éliminer t0 : t S t 0 (t P t 0 )= Soit encore = t S t P et t S t 0 =. vp vs ce qui donne t S t P = ( ). 4 ) Vu la profondeur du séisme donner la valeur de vp et vs. Pourquoi les ondes P subissent-elles des variations de vitesse? Le séisme se produit à 2 km de profondeur. Or sur le graphique montrant l'évolution de la vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur on voit qu'à 2 km on a vp = 4,8 km.s- et vs = 2,9 km.s-. Les variations de vitesse des ondes P proviennent du fait que les conditions physiques du milieu traversé par ces ondes changent avec la profondeur (la pression augmente, la température aussi, la densité également) tout ceci influe sur la célérité. Remarque : on voit très bien la structure en couche de la Terre grâce à ce document. Les ondes S s arrête au bout d'un moment car ces ondes ne se propagent pas dans les milieu fluide (donc magma (température élevée)). 5 ) Calculer alors les distances respectives des sismographes à l'épicentre. On applique = t S t P 7 et on trouve AIXF = =24,5 km (ts tp = h 36 min 50 s h 36 min 33 s = 7 s) 2,9 4,8 e même EMCF = 2 30 =53,8 km et CIVF = =29,8 km. 2,9 4,8 2,9 4,8 6 ) Sur la carte, mettre en œuvre une démarche pour localiser l épicentre d un séisme. Expliquer. Ainsi donc tout les points distants de 53,8 km du sismomètre AIXF peuvent être le lieux du séisme. C'est points sont placés en cercle dont le centre est le détecteur. Pareil pour les 2 autres sismomètres. onc on trace sur la carte 3 cercles dont le rayon correspond aux distances calculées (tenir compte de l 'échelle), leur intersection doit donner la position de l'épicentre. (Voir carte) Pour la détermination des rayons des cercles on utilise l'échelle (50 km 2,4 cm). Exemple : pour AIXF, nous avons une distance AIXF = 24,5 km donc cela représente un cercle de rayon R avec R= 24,5 2,4 =5,98 cm. Si le 3ième cercle ne croise pas les 2 autres au même endroit cela est du à la précision de vos 50 mesures avec la règle mais aussi le fait que la célérité de l'onde n'est pas forcement constante.

4 b ) Le sismographe verticale Lire le document ci-dessous et répondre aux questions qui suivent. Fonctionnement d'un sismomètre Certains sismomètres sont constitués d'une masse assez lourde, fixée à un bras suspendu par un ressort au dessus d'un bâti solidaire du sol. A l'autre extrémité du bras, une bobine conductrice est plongée dans un aimant, qui repose sur le bâti. Lorsque le sol tremble, le bâti suit les vibrations provoquées par le passage des ondes sismiques. Source CEA Questions ) Comment expliquer que la bobine reste immobile malgré le mouvement du bâti? La masse (avec un ressort bien choisi) assure la quasi immobilité de la bobine (l'inertie). 2 ) Pourquoi choisi-t-on une masse assez lourde à placer sur le bras? Pour éviter de que les vibrations engendrées par la vie humaine (les trains, les usines, les transports routier) ne viennent perturber les signaux enregistrer. 3 ) Que se passe-t-il aux bornes de la bobines lorsque des vibrations apparaissent? L'aimant bouge et comme la bobine reste relativement fixe, il apparaît alors une tension à ces bornes (phénomène d'induction) On se propose par la suite de réaliser un système qui modélise un sismomètre verticale. 4 ) Réaliser le montage ci-dessous et établir un protocole permettant de connaître le lien entre la tension U mesurée à l'oscilloscope (voir fiche méthode Oscilloscope) et l'amplitude x de la vibration. Mettre en œuvre votre protocole après validation du professeur et faire les mesures nécessaires. Protocole Il s'agit ici de voir l'évolution de la tension U en fonction de l'amplitude de la vibration x (plus U sera important et plus x le sera également et donc le séisme plus important, à première vue). onc pour plusieurs valeurs de x, on relève dans un tableau la tension U correspondante ensuite on pourra tracer le graphe montrant l'évolution de U en fonction de x. Voici les résultats :

5 3,4 div x = 2 cm Calibre = 20 mv/div x = 4 cm Calibre = 50 mv/div x = 8 cm Calibre = 00 mv/div x = 6 cm Calibre = 00 mv/div Pour mesurer la tension U, on compte le nombre de divisions entre l'axe horizontale et la courbe et on le multiplie par la valeur du calibre. x (cm) U (mv) 3,4 20 = 68 mv 3 50 = 50 mv 2 00 = 200 mv 3,4 00 = 340 mv Nous obtenons alors le graphique suivant : Les points sont relativement alignés. Remarque : il faut éloigner la bobine le plus possible de toutes sources électromagnétiques comme l'oscilloscope par exemple car alors le signal est assez épais sur l'écran donc pour ça il faut prendre de grand fils. Il faut également prendre des aimants non cassés car alors ils sont moins efficaces pour engendrer une tension dans la bobine.

6 II ) La télécommande TV ans cette partie nous allons nous intéresser tout particulièrement au capteur CC qui équipe la plupart des appareils photos ou les caméras des téléphones portables ainsi que les webcams. Lire les documents ci-dessous et répondre aux questions qui suivent. La lumière La lumière est bien connue pour présenter deux aspects complémentaires selon la façon dont on l étudie. La lumière est à la fois un phénomène ondulatoire, d où le concept de longueur d onde λ, et un phénomène corpusculaire, comme en témoignent les photons. Lorsqu'un rayonnement est composé de plusieurs ondes électromagnétiques, on dit qu'il est polychromatique. Lorsqu'il y a une seule onde électromagnétique, donc une seule longueur d'onde, on parle d'onde monochromatique. Source La télécommande En observant la télécommande, on voit le petit élément d'électronique photographiée ci-contre. C'est une diode électroluminescente ou EL. Un matériau dit semi-conducteur d'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) qui, sous une tension de,6v, transforme un signal électrique en une onde électromagnétique quasimonochromatique. Voici ci-dessous le spectre d'une diode IR. Capteur CC Le capteur CC (Charge-Coupled evice, ou dispositif à transfert de charge) est un petit élément d'électronique composé de matériaux semi-conducteurs formant des cellules photosensibles disposées en une grille très fine. Le capteur CC transforme, par effet photoélectrique, les photons qu'il reçoit en impulsions électriques. Un convertisseur analogique/numérique traduit ces signaux pour récupérer au final une restitution en pixels de couleurs, calculés et traités par un processeur d'imagerie. Voici ci-dessous la sensibilité spectrale de plusieurs capteurs de lumière.

7 Questions ) Le capteur des téléphones portables est il adapté à la détection du rayonnement infrarouge? Oui si le capteur est un CC alors doit pouvoir capter le rayonnement infrarouge puisque que le pic de sensibilité se trouve aux environs 850 nm 900 nm (infrarouge proche) 2 ) Pourquoi peut-on dire que le spectre des EL IR est quasi-monochromatique? 'après le spectre, la courbe est assez centrée autour de 890 nm. (Le spectre n'est pas très étendue) Une lumière parfaitement monochromatique aurait un pic très fin dans son spectre (comme le laser) 3 ) Les luxmètres sont des instruments qui utilisent un capteur différent dont la sensibilité s'étend de 470 à 690 nm. Cet appareil est-il adapté à la détection de la télécommande? Non car son domaine de sensibilité appartient au visible. Ces appareil mesurent la luminosité ambiante par exemple. 5 ) Comment vérifier si la télécommande transmet une information vers le poste de télévision? Structurer et écrire la réponse de façon à mettre en évidence la logique de votre raisonnement. Réaliser la manipulation mettant en évidence vos conclusions. La télécommande est équipée de EL infrarouges qui émettent aux alentours de 890 nm. Les capteurs CC sont sensibles justement à ces longueur d'ondes. onc normalement si on filme une télécommande avec un téléphone portable qui peut faire des vidéos on devrait pouvoir voir à l'écran le EL éclairée. On n'appuie pas, rien ne se passe On appuie, on voit le EL allumée