Transcript 00 sommaire

Terminale STL spécialité SPCL
Enseignement de
Sciences Physiques et Chimiques en
Laboratoire
LES ONDES
Cours de J.DEMIGNY
2013 - 2014
Remerciements - Sources
Je tiens à remercier, pour leurs conseils, le partage de leurs connaissances et
documents, les personnes suivantes:
Didier Demigny – (cours, critiques, conseils...)
Alain Clément – Lycée Jean Perrin (95) – (cours, illustrations, activités)
Lise Bénardais – Lycée
- (cours, activités...)
Jérome Astolfi – Lycée Notre Dame les oiseaux (78) - (cours, informations)
Les auteurs et éditeurs des ouvrages suivants:
Physique Chimie STI2D-STL (nouveau programme) – Nathan - 2012
Physique Chimie Visa pour la prépa – J'intégre – Dunod – 2013
Physique Term S- Collection Parisi, nouvelle édition – Belin 2006
Toute la physique – Dunod – 1999
Les auteurs des sites d'animations, simulateurs et logiciels suivants:
Guy Chaumeton - (illustrations et vidéos cuve à ondes)
http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/ts02ph.htm
Genevieve Tulloue - (animations flash)
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/index.html
Gilbert Gastebois - (animations flash)
http://gilbert.gastebois.pagespro-orange.fr/java/accueil.html
François Passebon – (animations flash)
http://fpassebon.pagesperso-orange.fr/animations.html
(...*)
http://phet.colorado.edu/fr/simulation/lasers
http://www.ostralo.net/
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/index.html
http://www.onera.fr/sites/default/files/ressources_documentaires/cours-exposesconf/lumiere/observation-detection-identification.swf
Les auteurs des sites suivants:
Thierry Collet – (exercices)
http://www.exovideo.com/
Cedric Despax
http://cedric.despax.free.fr/physique.chimie/
Robert Paris - (article dualité onde-corpuscule)
http://www.matierevolution.fr/spip.php?article882
E.Abraham – Le risque laser
http://www.cnrs.fr/aquitaine/IMG/pdf/Risque_laser__E.ABRAHAM_.pdf
Daniel A.Russell, Ph.D. (Vidéo acoustique)
Jean-Philippe Muller - (cours ondes guidées)
http://www.ta-formation.com/cours/n-lignes.pdf
Kamil Fadel – Science.gouv.fr
Camille Charignon, Cédric Collet – (Refroidissement laser)
Ainsi que tout ceux que j'ai pu oublier qui reconnaitrerons des éléments de leur
propres travaux et publications.
Avant-propos
Table des matières
Avant-propos
Table des matières
Chapitre 1
Les oscillateurs
1. Introduction
1.1. Définition
1.2. Rappels sur les phénomènes périodiques
2. Oscillateurs harmoniques libres
2.1. Mise en place du modèle
2.2. Caractèristiques d'un OHL
2.3. Pendule élastique idéal
2.3.1. Principe fondamentale de la dynamique
2.3.2. étude énergétique
2.4. Pendule libre simple
2.4.1. Principe fondamentale de la dynamique
2.4.2. étude énergétique
3. Oscillateurs harmoniques amortis (mécaniques)
3.1. Mise en place du modèle
3.2. Caractèristiques d'un OHA
3.3. Régimes d'amortissement
3.3.1. Cas du pendule élastique horizontale
3.3.2. Cas du pendule élastique verticale
4. Oscillateurs harmoniques électriques
4.1. Rappels d'électricité
4.2. Circuit LC (OHL)
4.3. Circuit RLC (OHA)
4.3.1. étude énergétique
5. Oscillations forcées (entretenues)
5.1. Mise en place du modèle
5.2. Caractèristiques d'oscillations forcées
5.3. Cas du pendule élastique verticale
5.4. Application 1: Le sismographe
5.5. Application 2: La suspension de voiture
6. Analogie oscillateurs mécaniques / électriques
Table des matières
Chapitre 2
Notions d'ondes
1. Introduction
1.1. Définition
2. Ondes progressives
2.1. Définition
2.1.1. Déformation d'une corde raide
2.1.2. Son dans le vide
2.1.3. Transport d'énergie sans transport de matière
2.2. Caractéristiques et propriétés d'une onde progressive
2.2.1. Dimensions de propagation
2.2.2. Onde transversale et longitudinale
2.3. Célérité d'une onde – Notion de retard
2.3.1. Calcul de la vitesse du son dans l'air
3. Ondes progressives périodiques
3.1. Définition
3.2. Onde périodiques sinusoïdale
3.2.1. Visualisation d'une onde sinusoïdale
3.3. Caractéristiques d'une onde progressive sinusoïdale
3.3.1. Périodicité temporelle
3.3.2. Périodicité spaciale
3.3.3. Double périodicité – La cuve à ondes
3.3.4. Puissance moyenne transportée
4. Traitement du signal – Propriétés des ondes périodiques
4.1. Principe de superposition
4.1.1. Superposition de vibrations de même fréquence
4.1.2. Superposition de vibrations de fréquences différentes
4.2. Décomposition en série de Fourier
4.2.1. Représentation spectrale d'un signal carré
5. Ondes stationnaires
5.1. Réflexion d'une onde progressive sur un obstacle fixe
5.1.1. Cas d'une onde progressive quelconque
5.1.2. Cas d'une onde progressive sinusoïdale
5.2. Réflexion d'une onde progressive entre deux obstacles fixes
5.2.1. Cas d'une onde progressive quelconque
Table des matières
Chapitre 3
Cas des ondes sonores (Acoustique)
1.1. Définition
1.2. Intensité d'un son
1.3. Niveau sonore
1.3.1. Interprétation de la formule de L
1.3.2. Isolement brut (dB)
1.3.3. Absorption
1.4. Caractéristiques d'un son musical
1.4.1. Son pur et son complexe
1.4.2. Représentation spectrale d'un son complexe
1.4.3. Timbre d'un son
1.5. Récepteurs sonores
1.5.1. Effets psychoacoustiques
1.5.2. Sensibilité de l'oreille humaine
1.5.3. Exemples de caractéristiques de microphones
Chapitre 4
Cas des ondes électromagnétiques
1.1. Définition
1.1.1. Rapples des grandeurs caractéristiques des ondes
1.1.2. Structure des ondes électromagnétiques
1.1.3. Mise en évidence du lien "électro" et "magnétique"
1.2. Rayonnement électromagnétique et lumière
1.2.1. Représentation du spectre électromagnétique
1.2.2. Caractéristique ondulatoire et EM de la lumière
1.2.3. Domaine de fréquence, énergie et applications
1.3. Propagations libre – guidée
1.3.1. Cas d'une fibre optique
1.4. Dualité onde – Corpuscule
1.4.1. Modèle ondulatoire de la lumière
1.4.2. Le photon, boson de l'interaction EM
1.4.3. Particule: ni onde, ni corpuscule
1.4.4. Synthèse
1.5. Récepteurs électromagnétiques
1.5.1. Photorécepteurs
1.5.2. Photodiodes
Chapitre 5
Intéractions onde – matière
1.1. Impact des ondes sur la matière
1.1.1. Les rayons ionisants
1.1.2. Application 1: Le four micro-ondes
1.2. Impact de la matière sur les ondes
1.2.1. Le sondage acoustique
1.2.2. Application 1: L'échographie
Table des matières
Chapitre 6
Le LASER
2. Fabrication d'un laser
2.1. Définition
2.1.1. Absorption
2.1.2. Emission spontanée
2.1.3. Emission stimulée
2.2. Principes de base du laser
2.2.1. Milieu amplificateur
2.2.2. Le pompage
2.2.3. La cavité (résonateur)
2.3. Propriétés d'un faisceau laser
2.3.1. La directivité
2.3.2. La monochromaticité
2.3.3. La cohérence
2.3.4. La puissance
2.3.5. Comparaison lumière naturelle – laser
3. Classifications et risques liés à l'utilisation des lasers
3.1. Différents types de lasers
3.1.1. Lasers à gaz
3.1.2. Lasers à colorant
3.3.3. Lasers à solide
3.2. Couleur d'un laser
3.3. Classification et applications des lasers
3.3.1. Classification
3.3.2. Utilisations en fonction de la puissance
Chapitre 7
Grandeurs physiques (Eclairagisme)
1.1. Introduction
1.1.1. Energie de rayonnement
1.1.2. Expression de la puissance (flux énergétique)
1.1.3. Expression de l'intensité énergétique (intensité lumineuse)
1.1.4. Eclairement (Irradiance ou Irradiation)
1.2. Comparaison rayonnement – éclairagisme
Table des matières
Chapitre 8
Applications
1. Observer et mesurer
1.1. Introduction
1.2. Télémètrie
1.2.1. Propagation
1.2.2. Mesure de la distance Terre-Lune
1.2.3. Mesure de l'indice de réfraction d'une fibre optique
1.2.4. Application 1: Les jumelles laser (contrôle routier)
1.3. Vélocimétrie, débimètrie et effet Doppler
1.3.1. Rappel effet Doppler
1.3.2. Mesure de vitesse d'un véhicule par ultrasons
1.3.3. Mesure de débit par effet Doppler au Laser
1.3.4. Etude de l'expansion de l'Univers
1.4. Granulométrie laser
1.4.1. Rappel diffraction
1.4.2. Mesure des dimensions d'une fente ou d'un fil
1.4.3. Mesure du diamètre d'un trou
1.5. Stockage numérique (Lecteur CD-DVD)
1.5.1. Initiation au binaire
1.5.2. Le CD – stockage d'informations
1.5.3. Principe de lecture d'un CD
1.5.4. Interférences – différence de marche
1.5.5. Problème de diffraction et capacité de stockage
1.6. Réfractomètrie (concentration sucre / alcool)
1.6.1. Rappel réfration
1.6.2. Lois de Snell-Descartes
1.6.3. Le réfractomètre
1.6.4. Mesure de la concentration en sucre d'une solution
1.7. Le système LIDAR et contrôles atmosphériques
1.7.1. Rappel Diffusion
1.7.2. Système LIDAR
1.8. Spectrophotomètrie
1.8.1. Le spectrophotométre
1.8.2. Rappel grandeurs spectrophotométriques
1.8.3. Loi de Beer-Lambert
1.8.4. Mesure d'une concentration d'un soluté
2. Agir
2.1. Introduction
2.2. Chirurgie
2.2.1. Le laser en ophtalmologie
2.2.2. Le laser en dermatologie
2.2.3. Epilation au laser
Table des matières
2.3. Décapage au laser
2.3.1. Entretien des monuments au laser
2.4. Découpage de matériaux
2.4.1. La machine de découpe laser
2.4.2. Caractéristiques des laser CO2 et YAG
Chapitre 9
Application: "instruments d'optique"
1. introduction historique
2. Rappels d'optique géométrique
2.1. Définition
2.2. Lentilles, objet, image
2.2.1. Lentille convergente et divergente
2.2.2. Relation de conjugaison
2.2.3. Formule du grandissement
3. Rappels d'optique géométrique
3.1. Définition
3.1.1. Cas du miroir plan
3.1.2. Cas du miroir sphérique
4. Les instruments d'optique
4.1. Rappel: la loupe
4.2. Le microscope optique
4.2.1. Definition
4.2.2. Plan des constituants
4.2.3. Schéma optique simplifié
4.2.4. Grossissement commercial du microscope
4.2.5. Limite de résolution d'un microscope
4.3. Le microscope à force atomique
4.4. Le microscope à effet tunnel
4.5. Les domaines d'observation des différents microscopes
4.6. La lunette astronomique
4.6.1. Etude d'une publicité
4.6.2. Principe de fonctionnement
4.7. La lunette astronomique
4.7.1. Historique
4.7.2. Principesimplifié du télescope de Newton
4.7.3. Caractéristiques du télescope
4.7.4. Différents types de télescopes
4.7.5. Etude de la résolution d'un imageur en astronomie
Chapitre 10
Application: "Vacances bientôt méritées"
1.2. Introduction
Bronzage et lunettes
éclairement
Polarisation
Qualité de l'air
Mirages, arc-en-ciel, couché de Soleil