Mois : février 2020

https://femto-physique.fr/optique/interference-a-deux-ondes.php

Lorsque l’on superpose deux faisceaux monochromatiques, l’intensité qui en résulte varie spatialement entre un maximum qui dépasse la somme des intensités et un minimum qui peut être nul. Ce phénomène est appelé interférence et concerne tout phénomène ondulatoire. En optique, son observation est rendue difficile car les sources réelles ne sont jamais absolument monochromatiques : elles sont le siège de fluctuations aléatoires de phase et d’amplitude qui brouillent les interférences. Un dispositif de division du front d’onde ou d’amplitude est souvent nécessaire pour fabriquer, à partir d’une source, deux sources secondaires dites cohérentes.

Une diversité de travaux sur le thème des interférences : un classique expérimental d’étude de l’interfrange avec les fentes d’Young et des études documentaires variées telles que le casque antibruit, les iridescences et couleurs animales, l’interférométrie radar, le traitement antireflet et le miroir de Bragg.

Les études documentaires peuvent susciter des dispositifs pédagogiques diversifiés : étude individuelle préalable, mise en commun en petit groupe et production éventuelle de documents et d’affiche, mise au point en grand groupe avec animation tableau et magistral en situation.

1. Interférences

Documents de travail : [1-interferences.pdf] ; [1-exploitation-resultats.xlsx]

Aides : dossiers [documents-aides], [incertitudes] et [animations].

Document de travail : [2-antibruit.pdf]

Document de travail : [3-iridescence.pdf] et dossier de travail [iridescences]

Document de travail : [4-radar.pdf]

5. Antireflet

Document de travail : [5-antireflet.pdf]

Document de travail : [6-miroir-bragg.pdf]

Aides : dossier [bragg]

Exemple

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier ondes (6) – interferences).

https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Photographs_with_diffractions#/media/File:Figure_de_diffraction_par_rideau.JPG

D’un point de vue historique la diffraction a été découverte avec la lumière en 1665 par Grimaldi. Elle fut interprétée correctement comme un comportement ondulatoire par Huygens, puis étudiée par Fresnel et Fraunhofer suite aux expériences de Young (trous de Young).    https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffraction

Trois approches de la diffraction : l’activité expérimentale classique de mesure du diamètre d’un cheveu et deux exploitations de document, une approche de la cristallographie par diffraction de rayons X et le pouvoir de résolution des instruments d’optique.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier ondes (5) – diffraction).

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1. Mesure

Documents de travail :[1-cheveu.pdf] et [1-traitement-resultats.xlsx]

2. Cristallographie

Documents de travail : [2-diffraction-X.pdf]

Compléments : dossier [cristallographie]

3. Résolution

Documents de travail : [3-resolution.pdf]

Egalement disponibles le dossier [animations-diapo] ainsi que des problèmes adaptés d’anciens sujets de bac (dossier [problemes]).

Deux animations de D. Labatut

http://reperes-astro.fr/histoires-de-big-bang-fiche-1/

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler

L’effet Doppler se manifeste par exemple pour les ondes sonores dans la perception de la hauteur du son d’un moteur de voiture, ou de la sirène d’un véhicule d’urgence. Le son est différent selon que l’on se trouve à l’intérieur du véhicule (l’émetteur étant immobile par rapport au récepteur), ou que le véhicule se rapproche du récepteur (le son étant alors plus aigu) ou s’en éloigne (le son  étant plus grave). […] Cet effet est utilisé pour mesurer une vitesse, par exemple celle d’une voiture, ou bien celle du sang lorsqu’on réalise des examens médicaux, notamment les échographies en obstétrique ou en cardiologie. Il revêt une grande importance en astronomie car il permet de déterminer directement la vitesse d’approche ou d’éloignement des objets célestes (étoiles, galaxies, nuages de gaz, etc.). Toutefois, le décalage vers le rouge cosmologique, qui traduit la fuite apparente des galaxies et constitue une preuve de l’expansion de l’espace, est d’une autre nature : il n’est pas justifiable par un effet Doppler car il est dû (de façon imagée) à un étirement de l’espace produisant lui-même un étirement des longueurs d’onde (la longueur d’onde d’un rayonnement suivant fidèlement la taille de l’Univers).

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-decalage-vers-rouge-56/

En astronomie, le décalage vers le rouge (ou redshift) est une augmentation de la longueur d’onde de la lumière causée par le mouvement de la source lumineuse qui s’éloigne de l’observateur, par effet Doppler ou du fait de l’expansion de l’univers en cosmologie. Les vitesses élevées produisent un grand redshift, et ceci permet de mesurer la vélocité radiale de la source. Dans un univers en expansion, les galaxies qui montrent un redshift élevé se trouvent à des distances plus grandes que celles qui ont un faible redshift. Le décalage vers le rouge peut aussi être provoqué par l’immersion de la source dans un champ gravitationnel élevé, tel que celui d’un trou noir.

Il s’agit ici d’une étude expérimentale classique à partir de fichiers son pour déterminer la vitesse d‘un véhicule en exploitant l’effet Doppler sonore.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier ondes (4) – doppler).

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Documents de travail : [1-doppler.pdf] ; [traitement-resultats.xlsx] ; [klaxon-arret.wav] ; [klaxon-mouv.wav]

Corrigés : dossier [corriges]

Des documents complémentaires sont également disponibles : dossier [complements]

Exemples :

Animation de D. Labatut [doppler-2.swf]

Document [red-shift.pdf]

Document [doppler-sonore.pdf]

Document [radar.pdf]

https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/multimedia/programme_applets/e_lehre/dipolstrahlung/bilder_dipol/web_bilder_orig/dip_3h_pot_o.gif

[…] ce sont ses recherches en électromagnétisme qui font de Maxwell un des savants les plus célèbres du XIXe siècle. En se basant sur les travaux de Faraday, il introduit dès 1862 la notion de champ. Puis, il montre qu’un champ magnétique peut être créé par la variation d’un champ électrique. Son enseignement purement mathématique va alors lui permettre d’élaborer les célèbres équations différentielles décrivant la nature des champs électromagnétiques dans l’espace et le temps. Il les expose dans son Traité d’électricité et de magnétisme publié en 1873. Tout en élaborant les théories de l’électromagnétisme, Maxwell définit également la lumière en tant qu’onde électromagnétique et ouvre ainsi la voie aux recherches d’autres physiciens comme Heinrich Rudolph Hertz. […] « La vitesse des ondes électromagnétiques est presque celle de la lumière… ce qui donne une bonne raison de conclure que la lumière est en quelque sorte elle-même, une perturbation électromagnétique qui se propage selon les lois de l’électromagnétisme ».

http://www.astronoo.com/fr/biographies/james-clerk-maxwell.html

James Clerk Maxwell – 1831 – 1879

https://giphy.com/gifs/antique-d4DnMePboSYso

A propos des ondes électromagnétiques on trouvera ici sept études documentaires :

radiographie (rayons X) ; pet-scan (rayons γ) ; mobile (téléphonie mobile) ; infrarouges (rayonnement thermique) ; cosmologie (rayonnement cosmologique fossile) ; ultraviolets (absorption des UV et couche d’ozone) ; ciel (couleur bleue du ciel et diffusion de Rayleigh).

Pour chaque étude il s’agit d’extraire et exploiter des informations  pour expliciter un processus et / ou valider des indications. Le travail est dans un premier temps individuel ; il est suivi d’une mise en commun en grand groupe sous forme d’animation tableau avec les mises au point et apports magistraux nécessaires.

On pourra également se reporter, sur ce même site, aux chantiers suivants :

fiat lux et relativite (1) pour l’historique des conceptions de la lumière ; quantique (1), ainsi que animations, pour le rayonnement thermique ; spectres pour l’émission de lumière ; numerisation (1) et numerisation (2) pour l’étude sur la téléphonie mobile.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier ondes (3) – electromagnetiques).

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[1-radiographie.pdf]

[2-pet-scan.pdf]

[3-mobile.pdf]

[4-infrarouges.pdf]

[5-cosmologie.pdf]

[6-ultraviolets.pdf]

[7-ciel.pdf]

Les dossiers [documents-aides] contiennent un grand nombre de documents d’aide ou de complément :

Exemples :

[ondes electromagnetiques.pptx]

[decimal-binaire-numerisation.pptx]

[1-cnes.pdf]

[inserm.pdf]

Gravity Music Electronic Music for Studying

https://www.universalis.fr/encyclopedie/sons-production-et-propagation-des-sons/1-historique/

Les premières recherches concernant les phénomènes sonores datent du VI^e siècle avant l’ère chrétienne, époque à laquelle l’école pythagoricienne se pencha sur le fonctionnement des cordes vibrantes et construisit une échelle musicale. Par la suite, des réflexions et des observations visant à découvrir la nature du phénomène sonore se sont déroulées sur plusieurs siècles. L’idée que le son est un phénomène de nature ondulatoire naquit de l’observation des ondes à la surface de l’eau. (La notion d’onde peut être définie de façon rudimentaire comme une perturbation oscillatoire qui se propage à partir d’une source.) L’éventualité que le son possède un tel comportement fut énoncée notamment par le philosophe grec Chrysippe (III^es. av. J.-C.), par l’architecte et ingénieur romain Vitruve (I^er s. av. J.-C.) et par le philosophe romain Boèce (V^e s. apr. J.-C.). L’interprétation ondulatoire prit corps  également dans les réflexions du grec Aristote (IV^e s. av. J.-C.) qui énonça la génération du mouvement sonore de l’air par une source « poussant vers l’avant l’air contigu de telle manière que le son voyage… ».

Apollon

Quatre études à propos de sons et musique : niveau, musique, instruments, ultrasons.

Les documents de travail donnent les consignes (travail individuel ou en petit groupe).

Bien entendu les activités proposées supposent des phases de travail individuel puis en petit groupe et des échanges en grand groupe (animation tableau) et des mises au point magistrales en situation.

1. Niveau

Deux études pour aborder les notions d’intensité acoustique et de niveau d’intensité.

a) niveau : échelle logarithmique non additivité

b) isotonique : diagramme d’isotonie et publicité

Documents de travail : [niveau.pdf] ; [isosonique.pdf]

Aide : [intensite-niveau.pptx] ; [logarithme.pdf]

2. Musique

Deux études à l’aide de logiciels d’analyse et traitement sonore  Acquisonic et Audacity : tutoriels dans [logiciels-son]).

a) flute (analyse spectrale ; spectre, fondamental, harmonique ;  hauteur et timbre d’un son musical)

b) caractéristiques (comparaison de 5 sons, sous forme d’évaluation de compétences expérimentales)

Documents de travail : [1-musique-flute.pdf] ; [2-musique-caracteristiques.pdf]

Aide : [hauteur-timbre.pdf]

Et compléments : [grave-medium-aigu.pdf] ainsi que des animations pour la transformée de Fourier dans le dossier [fourier]

3. Instruments

Les ondes stationnaires permettent d’interpréter la production d’une note par un instrument à corde ou à vent.

Documents de travail : [1-instruments.pdf] ; [2-violon.pdf] ; [3-flute-pan.pdf]

Aides : [ondes-stationnaires.swf] ; [ondes-stationnaires.pdf] ;  [ondes-stationnaires.pptx] ; [vocabulaire.pdf].

Et compléments : [violon-bac.pdf] ; [flute-pan-bac.pdf] (anciens  problèmes de bac).

4. Ultrasons

On détermine la fréquence et la célérité d’ultrasons. Deux versions sont proposées : élaboration et mise en œuvre de protocole, évaluation de compétences expérimentales. A l’occasion on travaille aussi la question des incertitudes : mesure, incertitude, notations scientifique, arrondissage, présentation d’un résultat.

Documents de travail : [1-ultrasons.pdf] et [2-ultrasons.pdf]

Aides : [incertitudes.pptx]; [incertitudes.pdf] ; [courbe-tendance.pptx] et diverses animations.

Divers problèmes sont aussi disponibles : dossier [problèmes] (anciens problèmes de bac).

Quelques idées générales sur les ondes

La grande vague de Kanagawa – 神奈川沖浪裏 – Katsushika Hokusai – 1830 ou 1831

https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde

Il existe trois principaux types d’ondes. Les ondes mécaniques se propagent à travers une matière physique dont la substance se déforme. Les forces de restauration inversent alors la déformation. Par exemple, les ondes sonores se propagent via des molécules d’air qui entrent en collision avec leurs voisines. Lorsque les molécules entrent en collision, elles rebondissent aussi l’une contre l’autre. Cela empêche alors les molécules de continuer à se déplacer dans la direction de la vague.Les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de support physique. Au lieu de cela, elles consistent en des oscillations périodiques de champs électriques et magnétiques générés à l’origine par des particules chargées, et peuvent donc voyager à travers le vide. Les ondes gravitationnelles ne nécessitent pas non plus de support. Ce sont des déformations de la géométrie de l’espace-temps qui se propagent.

Cinq propositions d’étude sur le modèle ondulatoire (ondes mécaniques) : modèles, espace-temps, simulations, célérité, télémétrie.

Pour chaque thème le document [2-ondes.pptx] peut être utilisé comme aide et / ou pour une présentation en grand groupe.

1. Modèles

On compare ici, brièvement, les deux modèles fondamentaux de la physique : le mobile en mouvement et la propagation d’une onde.

Document de travail : [1-comparaison.pdf]

2. Espace-temps

On aborde ici la double représentation d’une onde, spatiale et temporelle.

Document de travail : [espace-temps.pdf]

3. Simulation

Un petit outil de simulation permet d’aborder là aussi la double représentation d’une onde avec vérifications numériques.

Merci à Yann Gelfert pour ses « Petits logiciels de physique chimie pour le lycée (2002) » – sous windows il faut VB6FR.dll dans windows/system…)

Documents de travail : [1-simulation-signal.pdf] puis [2-simulation-periodique.pdf]

4. Célérité

C’est une exploitation de vidéos (adaptée de http://www4.ac-nancy-metz.fr/physique/ancien_site/video/liste-ondes.htm) traitant de la célérités des ondes sur l’eau.

Documents de travail : [celerite.pdf]

Ce travail peut être prolongé par est [tsunami.pdf] (avec deux compléments : [tsunami.swf] et [tsunami-m6.avi]).

Une activité expérimentale classique, [1-protocole.pdf], complétée par une résolution de problème [chauve-souris.pdf]

Diverses animations sont disponibles ainsi que des problèmes (adaptés d’anciens problème type bac) : dossier [problèmes].