TS 5 DS DE SCIENCES PHYSIQUES N 1

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1 TS 5 DS DE SCIENCES PHYSIQUES N 1 EXERCICE I : L UNIVERS DU TÉRAHERTZ (POLYNÉSIE 2017, SUR 6 POINTS) Chacun connaît les rayons X, mais il existe aussi des rayons T. Découverts depuis plus d un siècle, les rayonnements térahertz ou rayons T sont restés longtemps une portion inexplorée du spectre électromagnétique. Il était en effet difficile de les détecter et de les produire. Grâce aux avancées récentes de la technologie, ils connaissent aujourd hui un engouement certain dans le domaine de l imagerie médicale, la sécurité, la télécommunication à très haut débit, Domaine des rayonnements électromagnétiques : Ondes radio Microondes Ondes térahertz IR Visible UV Rayons X Rayons f (Hz) Données : Les fréquences des rayons térahertz sont comprises entre 0,1 THz et 30 THz. 1 THz = Hz Célérité de la lumière : c = 3, m.s -1 Constante de Planck : h = 6, J.s Électron-volt : 1 ev = 1, J 1. Térahertz et scanner. Les ondes térahertz possèdent des propriétés tout à fait remarquables. De part leur nature même, à la frontière de l optique et des micro-ondes, leurs propriétés cumulent les avantages des deux mondes : - elles peuvent pénétrer certains matériaux opaques au rayonnement visible tels que le carton, les tissus, le bois ou les matières plastiques ; - elles interagissent peu avec la matière, ce qui permet de les utiliser dans des applications d imagerie pénétrante sans toutefois présenter de danger pour les organismes vivants. Les scanners à rayons X sont d un usage courant. Dans les laboratoires, les chercheurs conçoivent de nouveaux types de scanner faisant appel aux rayons T Certains rayonnements sont dits ionisants. Leur énergie, supérieure à 10 ev, est suffisante pour transformer les atomes en ions. Ces rayonnements ionisants peuvent être nocifs pour les organismes vivants si la quantité d énergie reçue est trop élevée Calculer l énergie en ev : - d un photon associé à un rayonnement X de fréquence égale à 1, Hz ; - d un photon associé à un rayonnement T de fréquence égale à 1,5 THz Comparer l impact sur les organismes vivants d un scanner à rayons X et d un scanner à rayons T. Justifier la réponse.

2 1.2. Le pouvoir de résolution d un système d observation, est sa capacité à séparer deux points distincts pour qu ils soient correctement discernés par l observateur. Il est lié à la diffraction de l onde, de longueur d onde, lorsque l onde traverse le système d observation On éclaire une fente de largeur a par un laser de longueur d onde. Rappeler l expression reliant l angle aux grandeurs a et Cette fente est maintenant éclairée par deux faisceaux laser faisant un angle avec l axe de la fente. On suppose que l ouverture du faisceau liée à la diffraction a la même expression que lorsque l axe du faisceau arrive perpendiculairement à la fente. Montrer que si l angle est petit, il est impossible de séparer les deux faisceaux à la sortie de la fente. Donner l expression de la valeur limite de Plus le diamètre D de l objectif de la caméra qui équipe le scanner est grand plus les détails observés sont petits. Un objet étant positionné est à une distance L de la caméra, on distingue deux points A et B de l objet séparés d une distance d si le diamètre D min de l objectif de la caméra est au minimum de : D min 1,22.. L d Pour un objet situé à 12 cm de la caméra térahertz, sensible au rayonnement de fréquence égale à 1,5 THz, montrer que deux points séparés de 0,20 mm ne peuvent pas être distingués avec un objectif de diamètre 10 cm Comment modifier la valeur de la fréquence des ondes térahertz afin de visualiser distinctement ces deux points?

3 2. Térahertz et étude de l Univers D après les modèles construits par les chercheurs en astrophysique, la naissance de l Univers s est accompagnée de l émission d un intense rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement nous parvient, atténué, après avoir cheminé des milliards d années dans l espace. Provenant de toutes les directions de l Univers, ce «rayonnement fossile» apparaît homogène et se comporte comme le rayonnement d un corps noir à la température de 3 kelvins. Données - Loi de Wien : max. T = 2, m.k avec max la longueur d onde majoritairement émise (exprimée en m) dans le spectre d émission d un corps noir porté à une température T (exprimée en kelvin). - Absorption de l atmosphère en fonction de la longueur d onde de l onde électromagnétique Absorption atmosphérique 100 % visible 50 % 0 % 0,1 nm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 1 km Longueur d onde 2.1. Montrer que le «rayonnement fossile» peut être considéré comme un rayonnement térahertz Le rayonnement fossile peut-il être directement étudié avec des instruments au sol ou nécessite-t-il l utilisation d un satellite? Justifier votre réponse.

4 EXERCICE II : LES CARACTÉRISTIQUES D UN HOME-CINÉMA (D APRÈS ANTILLES-GUYANE 2016, SUR 5 POINTS) Depuis une vingtaine d années, les systèmes home-cinéma sont de plus en plus utilisés à domicile. L objectif est de reproduire le plus fidèlement possible l image et le son du cinéma à la maison. Le choix pour le consommateur est parfois difficile, perdu au milieu de sigles et autres arguments commerciaux : HD, full HD, UHD, 4K, OLED, LCD, son 2.0, 5.1, TV connectée, etc... Dans cet exercice, on se propose d étudier les principales caractéristiques d un home-cinéma. 1. L installation sonore Les cinémas ont été les premiers à être équipés de sons multicanaux afin d offrir une spatialisation des effets sonores (le son vient alors de toutes les directions). Caractéristique d une installation sonore 5.1 Un équipement 5.1 signifie que «5» haut-parleurs (enceintes) sont utilisés pour retranscrire les voix, les musiques et les effets sonores (alimentés par 5 signaux différents) et que «1» caisson de graves est utilisé pour retranscrire les sons très graves (explosions dans un film par exemple). Les enceintes sont disposées comme sur le schéma ci-dessous. Le caisson de graves (subwoofer) peut être placé n importe où. D après

5 Niveaux sonores restitués par les enceintes avant, arrière et par le subwoofer Échelle des niveaux sonores D après L intensité sonore de référence pour le calcul d un niveau sonore vaut : I 0 = 1, W.m -2. D après

6 1.1. À quelle grandeur physique est liée la hauteur d un son? 1.2. Laquelle des trois courbes représentées dans les documents précédents correspond au caisson de graves? Justifier Un technicien souhaite calibrer correctement une installation home-cinéma. Équipé d un sonomètre, il se place sur le canapé. À l aide de la télécommande, il déclenche un son sur l enceinte centrale uniquement et règle son niveau sonore pour que le sonomètre indique 70 db. Il répète l opération pour chacune des quatre autres enceintes. L installation est alors parfaitement équilibrée. Pour finaliser ses réglages, il met en marche simultanément les cinq enceintes (le caisson de graves restant éteint). Le son produit présente-t-il un danger pour l audition du technicien? 2. La télécommande Pour piloter les différents appareils d un home-cinéma, on utilise une ou plusieurs télécommandes équipées de diodes qui émettent des ondes électromagnétiques dans l infrarouge. Notice technique de la diode de la télécommande Modèle LTE5228A Angle d ouverture 40 Tension Fréquence émise Intensité lumineuse 1,2 V 3, Hz 5 mw/sr Dimension de l optique 5 mm 2.1. Définir ce qu est une onde progressive Quelle est la principale différence entre une onde mécanique et une onde électromagnétique? 2.3. Justifier, à l aide des documents fournis, que le rayonnement émis par la télécommande correspond bien à un rayonnement infrarouge.