Thème 1 : Onde et matière Chapitre 1 : Ondes et particules, support d information Activité 1 : Atmosphère et rayonnement dans l univers p16 1) a) La grandeur portée en ordonnée représente la proportion de rayonnement arrêté par l atmosphère avant d attendre le sol pour une longueur d onde donnée 100% correspond à un rayonnement n atteignant pas le sol et 0% correspond à un rayonnement pour lequel l atmosphère est complètement transparente b) En abscisse sont porté les longueurs d ondes dans le vide des différents rayonnements électromagnétique. L échelle utilisée n est pas linéaire, on complète l échelle en multipliant par 10 la valeur indiqué sous la graduation qui précède. c) A correspond aux ultraviolets B correspond au spectre visible C correspond au infrarouges D correspond au domaine des ondes radios d) Les illustrations montre les instruments d observation adapté aux différents domaines des ondes électromagnétiques 2) a)depuis le sol on peut observer le domaine visible, de 400nm (400.10-9 m) à 800nm (800.10-9 m) et le domaine radio de 10-3 m à 10m b) 10-8 m a 400 nm domaine des ultraviolets Activité 2 : L astronomie de l invisible a) Sur la photographie a) dans le domaine visible le nuage de gaz et de poussière qui remplie la galaxie arrête une grande partie du rayonnement. D autre part certaine étoiles émettent trop faiblement dans le visible et n apparaissent pas. Sur la photographie b) en rayonnement infrarouge le nuage devient transparent et laisse apercevoir des étoiles situé à l arrière, de plus le nuage lui-même émet un rayonnement infrarouge qui le rend visible. Sur la photographie c) ce sont des étoiles brillantes dans l ultraviolet qui deviennent visible alors qu elles n apparaissent pas sur la photographie a. b) Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l effet de sa température. Le nuage est beaucoup trop froid pour émettre dans le visible. Son rayonnement thermique à son maximum d émission dans l infrarouge donc il est brillant dans ce domaine de radiation. c) Plus la température est élevé plus la longueur d onde du maximum d émission est petite. Les étoiles les plus chaudes apparaissent en bleu.
d) Un trou noir est un objet qui résulte de l effondrement d une étoile et qui a une masse volumique telle que les effets gravitationnels empêchent même la lumière de s en échapper. e) Echelle : 200 000 al 0.8cm Valeur mesurée 0.7cm La longueur de la zone d émission radio autour du trou noir est estimée à 1,75.10 5 f) Le rayonnement visible ne constitue qu une faible partie du rayonnement magnétique émis dans l univers de nombreux objet de l univers n émettent pas ou bien trop faiblement dans le domaine visible. Même si un objet est visible les rayonnements non visibles peuvent fournir des informations supplémentaires. I. Particules et ondes : support d information 1) Univers et particules L univers représente la totalité de se qui existe de l infiniment petit à l infiniment grand et c est grâce a une analyse des particules et des ondes que les scientifiques peuvent étudier les objets de l univers. L univers est ainsi parcourus par des noyaux atomiques ou des particules élémentaires se déplacent à grande énergie, c est le rayonnement cosmique. Un rayonnement désigne la propagation d énergie émise par une source 2) Ondes électromagnétiques La lumière visible, les rayonnements ultraviolets, infrarouges mais aussi radio sont des ondes électromagnétiques, Qui transporte de l énergie sans matière et se propage sans support matériel à dans le vide. La détection des ondes électromagnétique met en œuvre un détecteur électronique utilisant l effet photoélectrique, c'est-à-dire la libération d électron par certains matériaux exposé à un rayonnement. Exemple : les panneaux solaires 3) Onde mécaniques Les ondes sismiques, les ondes sonores, la houle son des ondes mécaniques, se sont des perturbations qui transportent de l énergie sans matière et se propage dans un support à une vitesse dépendant du support. La détection des ondes mécaniques met en œuvre un capteur transformant une des grandeurs physique du support modifié par le passage de la perturbation en une grandeur facile à exploité. Exemple : capteur piézoélectrique.
II. Contrainte d observation des rayonnements. 1) Interaction entre rayonnement et matière L énergie transporter par le rayonnement peut être absorbé par la matière lors d interaction matière-rayonnement, ce phénomène est appeler absorption. Du rayonnement est parfois accompagné du phénomène de diffusion. 2) Fenêtre atmosphérique d observation Les rayonnements capables de traverser l atmosphère sans absorption appartienne au domaine visible et radio, l atmosphère est le nom donné à l enveloppe gazeuse qui entoure la Terre et nous protège de certains rayonnements. 3) Localisation des lieux d observation Ainsi certains instruments de détections se trouvent à la surface de la Terre dans les domaines visibles et radio et d autres se situent au dessus de l atmosphère pour s affranchir des phénomènes d absorption et de turbulences. III. Exemples de sources de rayonnements 1) Rayonnement ultraviolet L émission dans l ultraviolet de 10nm à 400nm vient d objets célestes chauds : étoiles chaudes ou quasars mais aussi d objets du quotidien : lampes fluo compactes et UV avec déchardes électriques dans la vapeur de mercures. 2) Rayonnement infrarouge Rayonnement infrarouge de 800nm à 1mm provient d un objet froid : jeune étoile ou nuage de poussière mais aussi d objet du quotidien : diode infrarouge et chauffage domestique avec filament de chauffage. 3) Rayonnement radioélectrique L émission radio au dessus de 1 mm provient de particules chargées de hautes énergies proches de supernovae mais aussi d objet du quotidien : téléphone portables et antenne de station radio Activité 3(livre) : Les particules dans l univers. Le rayonnement cosmique : Particule de haute énergie Magnétosphère : entoure un objet céleste c est la que ce trouve le champ magnétique protégeant la Terre des particules ionisé Réaction nucléaire : transformation des noyaux atomique (neutron, proton et radiations) La figure 5b illustre la formation d une gerbe de particule. En A une particule provenant de l espace interagie avec un atome de l atmosphère terrestre déclenchant l émission de plusieurs autres particules.
Les rayons cosmiques apportent des renseignements sur le fonctionnement interne du soleil (particule solaires) ou sur des événements se produisant dans l univers lointain (particules galactique et extra galactiques). Pour étudier la structure de la matière (fonctionnement au niveau subatomique) les chercheurs utilisent les accélérateurs de particules. La nature et l énergie des particules présente dans les rayons cosmiques ne sont pas prévisibles alors qu un accélérateur de particule Activité 3 (polycopier) : Un exemple d ondes mécaniques Points communs Ondes électromagnétiques Ondes mécaniques Ils transportent tous les deux de l énergie Pas besoin de support On besoin d un support Ils sont soumis aux phénomènes de réflexion et de réfraction Se déplacent à la vitesse de la lumière Ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière Différence entre épicentre et hypocentre : l épicentre est la projection à la surface de la terre de l hypocentre et l hypocentre est le point de départ du séisme qui est sous la surface de la Terre. L hypocentre est ce que l on appel le foyer du séisme. L ensemble des points situé a une distance D, d d une station se trouve sur un cercle de rayon D et de centre la station. La position approximative de l épicentre se trouve à l intersection des cercles ayant pour centre les stations et pour rayon les distances hypocentrales. On utilise l objectif approximatif
car l épicentre n est pas l hypocentre mais les distances ces deux points aux stations sont approximativement les mêmes. Direction de propagation : Onde P : horizontale (même sens) Onde s : perpendiculaire Déformation de terrain : Onde p : compressions qui produit un soulèvement de terrain et d= m t= s V= Onde s : un mouvement de vas et vient La connaissance du décalage temporel t=ts-tp entre les temps ts : ondes S et celui tp : ondes p sur une station suffit et est nécessaire pour déterminer la distance d qui sépare la station de l hypocentre (foyer). Activité 4 : Un détecteur d ondes mécaniques Exercice 3,4,7,12,9,15,11,19,16,23,22,26 page 22-29 Exercice 3 page 22 a) Les planètes, les astéroïdes, poussières interstellaires b) Toutes les étoiles chaudes c) Rayonnement fossile de l univers, les radios sources lointaines (il s agit probablement d ondes émise par des particules chargé fortement accéléré par la présence d un trou noir par exemple) on a également de l hydrogène interstellaire Exercices 4 page 22 Sources naturelles : Rayonnement cosmiques, particules α et β produit par la radioactivité Sources artificielles : accélérateur de particules Exercice 7 page 22 a) Tous les appareils de communication sans fil (téléphone portable, radio, wifi) b) Appareil photo, barrière optique c) Capteur de signal de télécommande infrarouge, détecteur d alarme antivol, etc. Exercice 12 page 23 a) Un objet coloré absorbe une partie des radiations reçues la couleur est le résulta de la superposition des radiations réémises b) Un pigment fluorescent réémet une lumière visible alors qu il reçoit un rayonnement, non visible (ultraviolet) : la longueur d onde de la lumière réémise est supérieure à la longueur d onde du rayonnement excitant cette fluorescence.
Exercice 9 page 23 a) b) C est la valeur la plus fiable pour décrire les résultats des mesures Exercice 11 page 23 a) b) Exercice 19 page 26 a) b) c) A2/A1 = 10^4 d)
e) L échelle logarithmique permet de réduire l échelle des valeurs caractérisant les séismes possibles Exercice 16 page 25 a) Au cours de la réaction nucléaire décrite, des noyaux d atomes (ici noyaux d atomes d hydrogènes) s associent pour former des atomes plus lourds. Il s agit d une réaction de fusion. b) Les neutrinos proviennent des réactions nucléaires qui se produisent au cœur du soleil comme il est indiqué à la ligne 2. C est donc de cette région qu on peut obtenir des renseignements à partir de l étude des neutrinos solaires. c) D après la ligne 3 du texte, le nombre de noyau d hélium est les moitié du nombre de neutrinos émis. d) On fait interagir les neutrinos avec une grande quantité de matière comme l indique la phrase : «les détecteurs de neutrinos sont de grand réservoirs contenant des milliers de d eau» Exercice 15 page 25