Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE - Chapitre I-II-III Classe de Ter S DS n 1 «Rayonnement et ondes mécaniques» Date : 3/10/2016 Nom : Exercice I LE SATELLITE PLANCK (6 points) Les astrophysiciens tirent des informations précieuses de l étude du rayonnement électromagnétique en provenance de l Univers tout entier. Le satellite PLANCK a été conçu pour détecter une partie de ce rayonnement afin de mieux connaître l origine de l Univers. Les documents utiles à la résolution sont donnés aux pages suivantes À l aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 30 lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante : «Comment les informations recueillies par le satellite Planck permettent-elles de cartographier l Univers fossile?» Pour cela, présenter le satellite Planck et sa mission. Préciser ensuite les principales caractéristiques du rayonnement fossile (source, nature, intensité et direction, longueur d'onde dans le vide au maximum d intensité λ max ). Justifier alors l intérêt de réaliser des mesures hors de l'atmosphère et conclure enfin sur la problématique posée, en expliquant notamment le lien entre cartographie du rayonnement et cartographie de l Univers. Document 1 : Découverte du rayonnement fossile DOCUMENTS DE L EXERCICE I En 1965, afin de capter les signaux de l'un des premiers satellites de télécommunication, deux jeunes radioastronomes du laboratoire de la Bell Telephone, Penzias et Wilson, entreprennent d'utiliser une antenne de 6 mètres installée sur la colline de Crawford, à Holmdel (USA). À leur grande surprise, les deux scientifiques tombent sur un étrange bruit de fond radio venant de toutes les directions du ciel. La très faible intensité du signal détecté ne varie ni au fil du jour, ni au cours des saisons. Ce signal est étranger au Soleil et à la Voie Lactée. Penzias et Wilson viennent de détecter le «rayonnement fossile». Ils reçoivent le prix Nobel en 1978. Très vite, le rayonnement fossile procurera la «première image de l Univers». Il lèvera le voile sur une époque cruciale : quelques centaines de milliers d années après le Big Bang. À cette époque, des grumeaux de matière sont déjà assemblés afin de constituer les embryons de nos galaxies. À force d analyse et de déduction, les spécialistes sont parvenus à retracer ce qu a pu être le parcours du rayonnement cosmique : L Univers a rapidement été composé de matière "ionisée" dans laquelle la lumière ne se propage pas ; les grains de lumière, les photons, se heurtent aux particules, sans cesse absorbés puis réémis en tout sens. Le cosmos se comporte alors comme un épais brouillard. Puis l Univers se dilate, la température s abaisse. Pour une valeur de la température de l ordre de 3 10 3 K, les électrons s assemblent aux protons. On entre alors dans l ère de la matière neutre : les charges électriques s apparient et se compensent. Les atomes se créent. L Univers devient transparent : quelques centaines de milliers d années après le Big Bang, le rayonnement émis par l Univers se comportant comme un corps noir peut alors se propager librement. Le rayonnement fossile détecté de nos jours a ainsi cheminé pendant près de quatorze milliards d années. Durant cette période, l Univers s est dilaté, expliquant ainsi que le rayonnement fossile perçu à l heure actuelle correspond au rayonnement émis par un corps noir à la température de 3 K. D après http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbig/decouv/xcroire/rayfoss/niv1_1.htm DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 1
Document 2 : Atmospheric opacity versus wavelength (Opacité de l atmosphère en fonction de la longueur d onde) Document 3 : Matière et rayonnement D après Wikipedia - Loi de Wien : λ max.t = A A est une constante telle que A = 2,9 mm.k λ max est la longueur d onde dans le vide au maximum d intensité émise par le corps noir de température T. - L intensité du rayonnement émis par une source dépend de sa densité de matière. Document 4 : Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d onde (échelle non respectée) Rayons Rayons X UV Visible IR Micro-ondes Ondes Radio 10-11 10-8 4x10-7 8x10-7 10-3 1 (m) Document 5 : Lancement du satellite Planck Le satellite Planck a été lancé le 14 mai 2009 par Ariane 5 depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou. Les premières observations du ciel ont commencé le 13 août 2009 pour 15 mois de balayage du ciel sans interruption. Planck balaie l intégralité du ciel et fournit une cartographie du rayonnement cosmique fossile. Le signal détecté varie légèrement en fonction de la direction d observation. L analyse du signal permet de révéler l inhomogénéité de l Univers primordial. Ces observations donnent des informations uniques sur l origine et l assemblage des galaxies, et permettent de tester différentes hypothèses sur le déroulement des premiers instants qui ont suivi le Big Bang. D après des communiqués de presse du CNES DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 2
Exercice II Les ultrasons au service du nettoyage (7 points) On trouve dans le commerce des appareils de nettoyage utilisant les ultrasons. Le document 1 décrit la première page de la notice d un exemple d appareil de ce type. Document 1 : notice simplifiée d un appareil de nettoyage à ultrasons Descriptif : - réservoir amovible en acier inoxydable - fréquence des ultrasons 42 khz à 2% - nettoyage facile des objets immergés dans l eau sous l effet des ultrasons - utiliser de préférence de l eau fraichement tirée du robinet. Données : - célérité des ultrasons dans l air : v = 340 m.s 1 à 25 C. - célérité des ultrasons dans l eau : v = 1500 m.s 1. On souhaite étudier les ultrasons émis par l appareil décrit dans le document 1. Pour cela, on isole l émetteur E à ultrasons de cet appareil et on visualise le signal émis à l aide d un capteur relié à la voie 1 d un oscilloscope. Les mesures sont faites dans l air à la température de 20 C. On obtient le signal ue suivant : 1. Déterminer la période T du signal représenté sur la figure 1. Expliquer la méthode. 2. En déduire la fréquence f des ultrasons. Comparer avec la valeur de référence. 3. On souhaite déterminer la longueur d onde des ultrasons. Pour cela, on visualise à la fois le signal émis par l appareil et appliqué sur la voie 1 d un oscilloscope et le signal ur reçu par un récepteur R à ultrasons connecté sur la voie 2 de cet oscilloscope. On part d une situation où les signaux délivrés par l émetteur E et par le récepteur R placé en face sont en phase. On s aperçoit que lorsque l on éloigne le récepteur R tout en restant en face de l émetteur fixe E, la courbe qui correspond au récepteur se décale vers la droite. Les signaux obtenus sont représentés sur la figure 2 lorsque les courbes reviennent pour la première fois en phase. On détermine la distance dont on a déplacé le récepteur R lorsque l on obtient la figure 2 page suivante, et on mesure 8 mm. DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 3
3.1. Définir la valeur de la longueur d onde (une formule littérale est attendue ici). 3.2. Déterminer la longueur d onde à partir de l expérience précédente. Que peut-on faire pour augmenter la précision de la mesure? 3.3. Calculer la célérité v des ondes ultrasonores dans l air. Expliquer un écart éventuel avec la valeur attendue. 4. En utilisation normale de l appareil, la longueur d'onde des ultrasons est différente de la valeur obtenue à la question 3.2. et vaut 4 cm. Expliquer cette différence. Exercice 3 L oreille humaine comme détecteur sonore (7 points) On se propose dans cet exercice de travailler sur le détecteur sonore que constitue l oreille chez l être humain. L objectif étant de comprendre ses principales caractéristiques à travers des exemples simples. 1. Quelques caractéristiques du son L oreille sert à détecter les sons. Pour le musicien, le son possède 4 qualités ou paramètres que sont la hauteur, l intensité, le timbre et la durée. Dans toute la suite de l exercice, on ne s intéressera qu aux trois premiers paramètres à savoir la hauteur, l intensité et le timbre d un son. 1.1. Donner la définition de la hauteur d un son. Les documents suivants présentent l enregistrement du son produit par un synthétiseur et son analyse spectrale : 1.2. A l aide des documents ci-dessus, déterminer la hauteur du son enregistré. Détailler la méthode utilisée. DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 4
1.3. Quel paramètre du son (parmi ceux donnés dans l énoncé) est mis en évidence par l analyse spectrale (doc. ci-dessus)? Justifier votre réponse. 2. Le détecteur oreille Niveau d intensité sonore On s intéresse maintenant aux caractéristiques de l oreille quant à ses capacités à discerner la hauteur de deux sons, ainsi que la différence de niveau sonore entre deux sons. On donne : I 0 = 1,0.10-12 W.m -2. On considère un son dont le niveau sonore L = 50 db. 2.1. Montrer en utilisant la définition du niveau sonore que l intensité I du son correspondant vaut I = 1,0.10-7 W.m -2. Superposition des sources sonores On considère maintenant une source sonore d intensité sonore I 1 et de niveau sonore L 1. Si l on considère maintenant la superposition de deux sources sonores identiques à la précédente, il en résulte une intensité sonore I 2 double de la précédente soit I 2 = 2 I 1. On note L 2 le niveau sonore résultant de la superposition de ces deux sources sonores identiques. 2.2. En utilisant la définition du niveau sonore, montrer que la relation entre les deux niveaux sonores L 1 et L 2 est : L 2 = L 1 + 3 db. La sensibilité de l oreille La sensibilité de l oreille, c est à dire sa capacité à entendre, ne sera pas la même selon la hauteur du son parvenant à l oreille de l auditeur. D autre part, un son émis par une source avec un certain niveau sonore ne sera pas perçu par l oreille avec ce même niveau sonore. Ces différentes caractéristiques sont résumées dans le diagramme donné en fin de sujet appelé diagramme de Fletcher et Munson. Ce diagramme montre des courbes d isotonie (même niveau sonore perçu par l oreille) en fonction de la hauteur du son. La courbe de niveau 0, nommée sur ce graphe «MINIMUM AUDIBLE» indique le niveau sonore minimal que doit posséder un son pour que celui-ci puisse être audible. Si l on considère par exemple un son de hauteur 50 Hz, l oreille ne pourra le détecter que si son niveau sonore vaut environ 42 db (point A sur le diagramme). De même, un son de niveau sonore 80 db et de hauteur 50 Hz ne sera perçu au niveau de l oreille qu avec un niveau sonore de 60 db (point B sur le diagramme). 2.3. En analysant le diagramme de Fletcher et Munson, on constate à la lecture de l axe des abscisses, que le domaine des fréquences audibles par l oreille humaine se situe environ entre 20 Hz et 20 khz. Où se situent ce qu on appelle couramment les sons aigus? Même question concernant les sons graves? 2.4. Sur le diagramme, placer le point sur la courbe de niveau 0, qui permet de justifier que la sensibilité maximale de l oreille se situe autour de 4000 Hz. On considère deux sons de même niveau sonore 60 db. L un de fréquence 50 Hz et l autre de fréquence 100 Hz. 2.5. En utilisant le diagramme de Fletcher et Munson, déterminer avec quel niveau sonore sera perçu chacun de ces sons par l oreille. On montrera par un tracé sur le diagramme de Fletcher et Munson joint en annexe, les points représentatifs de ces deux sons. 2.6. Parmi ces deux sons, lequel sera perçu avec le plus d intensité par l oreille? DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 5
ANNEXE - Diagramme de Fletcher et Munson DS n 1 «Rayonnements et Ondes mécaniques» Page 6