MSP de Physique...Physique-Chimie 2nd (2018), Hachette Physique-Chimie 2nd (2016), Hatier Pré-requis : États de la matière et description microscopique -composition de l'air mesure

MSP de Physique

CAPES de Physique-Chimie

Benjamin Marchetti 1

(20182019)

1 httpsmarchettibenjaminwordpresscom

Table des matiegraveres

MSP 01 - La pression 5A Seacuteance 1 Pression et force pressante (AE) 5B Seacuteance 2 Pression dans un liquide au repos (AE) 6C Seacuteance 3 La surpression pulmonaire (AE+AD) 6D Seacuteance 4 La solubiliteacute des gaz dans les liquides (AE+AD) 7

MSP 02 - Les eacutetoiles 8A Seacuteance 1 Mise en eacutevidence et explication du pheacutenomegravene de reacutefrac-

tion (AD+manip prof) 9B Seacuteance 2 Reacutefraction de la lumiegravere (AE) 9C Seacuteance 3 Dispersion de la lumiegravere blanche (AE+AD) 10D Seacuteance 4 Lumiegravere des eacutetoiles (AE eacutevalueacutee) 10E Seacuteance 5 Analyse de la lumiegravere dune eacutetoile (ADRP eacutevalueacutee) 11

MSP 03 - Couleur vision et image Loeil lentille mince convergentefonctionnements compareacutes de loeil et dun appareil photographique 12

A Seacuteance 1 Modeacutelisation de ldivideil (AD) 12B Seacuteance 2 Relation pour une lentille convergente (AE) 13C Seacuteance 3 Deacutefauts et accommodation de loeil (AD+AE) 14D Seacuteance 4 Ldivideil et lappareil photographique (AE) 15

MSP 04 - Leacutenergie sa conservation et ses transferts 17A Seacuteance 1 Conservation de leacutenergie (AD 1h) 17B Seacuteance 2 Conservation agrave travers leacutenergie thermique (AE 1h) 17C Seacuteance 3 La chute de la balle (AE 2h) 18D Seacuteance 4 Le pendule (Devoir maison) 19

MSP 05 - Convertir leacutenergie et eacuteconomiser les ressources Productionde leacutenergie eacutelectrique puissance Conversion deacutenergie dans un geacuteneacute-rateur un reacutecepteur Loi dOhm Eet Joule Notion de rendement deconversion 20

A Seacuteance 1 Rappels sur les lois de leacutelectriciteacute (AE 1h) 21B Seacuteance 2 Les lampes basses consommations (AD) 21C Seacuteance 3 Caracteacuteristique dun geacuteneacuterateur (AE 1h30) 21D Seacuteance 4 Caracteacuteristique dun reacutecepteur et mise en eacutevidence de

leet Joule (AE 1H) 22

MSP 06 - Gestion de leacutenergie dans lhabitat Eacutenergie interne tempeacute-rature Capaciteacute thermique massique Transfert thermique Flux ther-mique 24

A Seacuteance 1 La mesure de tempeacuterature (AD) 25

B Seacuteance 2 Variations deacutenergie interne et de tempeacuterature (AE) 25C Seacuteance 3 Deacutetermination de la capaciteacute thermique de laluminium

(AE eacutevalueacutee) 25D Seacuteance 4 Dieacuterents modes de transferts thermiques (AE) 26E Seacuteance 5 Les transferts thermiques dans lhabitat (RP) 27

MSP 07 - Ondes sonores et ultra-sonores propagation 29A Seacuteance 1 Quelles sont les caracteacuteristiques dune onde ultra-sonore

(AE) 29B Seacuteance 2 Deacutetermination de la ceacuteleacuteriteacute (AE) 30C Seacuteance 3 Fabrication dun eacutechographe (AE eacutevalueacutee) 30D Seacuteance 4 Les ultrasons dans le domaine meacutedical (AD) 31

MSP 08 - Appareil photographique numeacuterique 32A Seacuteance 1 Ldivideil et lappareil photo (AD+AE) 32B Seacuteance 2 Mise au point ouverture et temps de pose (AD+AE) 33C Seacuteance 3 Angle de champ grandissement grossissement (AE) 36

MSP 09 - Photographie numeacuterique photo-deacutetecteur 37A Seacuteance 1 Le chemin de la photo et image numeacuterique (AD+AE) 37B Seacuteance 2 Fonctionnement du capteur CCD (AD+AE) 38C Seacuteance 3 Sur quels critegraveres choisir un appareil photo (AE+AD) 38

MSP 10 - Mesure du temps et oscillateur amortissement 40A Seacuteance 1 Le pendule pour mesurer le temps (AE 1h30) 40B Devoir Maison Le pendule de Huygens 41C Seacuteance 2 Eacutetude eacutenergeacutetique des oscillations libres dun pendule

(AE eacutevalueacutee 1h30) 41D Seacuteance 3 La quecircte de la preacutecision (AD + ) 42

MSP 11 - Temps cineacutematique et dynamique newtonienne 44A Seacuteance 1 Eacutetude des mouvement rectilignes (AE 1h30) 44B Seacuteance 2 Eacutetude de mouvement circulaire (AD+ 1h) 45C Seacuteance 3 Propulsion et quantiteacute de mouvement (AE 1h) 47D Seacuteance 4 Eacutetude du mouvement de la chute dune balle (AE 2h) 47E Seacuteance 5 La spectomeacutetrie de masse (ExerciceAD 1h) 48

MSP 12 - Proprieacuteteacutes des ondes interfeacuterences et image numeacuterique stockageoptique 49

A Seacuteance 1 Interfeacuterence en lumiegravere monochromatique (AE 2h00) 49B Seacuteance 2 Eacutetude dune gure dinterfeacuterences agrave laide dune image

numeacuterique (AE eacutevalueacutee) 50C Seacuteance 3 Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD (AE 1h) 52D Seacuteance 4 Lecture dun disque optique (AD) 53

MSP 13 - Proprieacuteteacutes des ondes diraction et image numeacuterique stockageoptique 54

A Seacuteance 1 Interfeacuterence en lumiegravere monochromatique (AE 2h00) 55B Seacuteance 2 Eacutetude dune gure de diraction agrave laide dune image

numeacuterique (AE eacutevalueacutee) 55C Seacuteance 3 Stockage optique et ses limites (AD) 58

D Seacuteance 4 Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD (AE 1h) 59

MSP 14 - Eacutenergie matiegravere et rayonnement transferts quantiques deacutenergieet proceacutedeacutes physiques de transmission 61

A Seacuteance 1 Fonctionnement dun laser (AD) 61B Seacuteance 2 Transmission de linformation par un laser (AE) 62C Seacuteance 3 Transmissions par ondes hertziennes (AE) 62D Seacuteance 4 La bre optique (AD+AE) 63E Seacuteance 5 Signal analogique ou numeacuterique (AD+AE) 64

MSP 15 - Transmettre et stocker de linformation Signal analogique etsignal numeacuterique Proceacutedeacutes physique de transmission 65

A Seacuteance 1 Les dieacuterents types de transmissions de linformation(AD 1h00) 66

B Seacuteance 2 La conversion analogique-numeacuterique (AE 2h) 67C Seacuteance 3 La transmission dun onde EM agrave travers le cacircble coaxial

(AE 1h) 67D Seacuteance 4 La transmission dune onde lumineuse agrave travers une bre

optique (AE eacutevalueacutee) 68

MSP 16 - Caracteacuteristiques des ondes Proprieacuteteacutes des ondes eet Doppler 70A Seacuteance 1 Ondes progressives agrave une dimension (AD 1h00) 71B Seacuteance 2 Caracteacuteristiques dune onde progressive peacuteriodique (AE

(1h) 71C Seacuteance 3 Acoustique musicale (AE 1h) 71D Seacuteance 4 Mesure de la vitesse par eet Doppler (AE 2h) 72E Seacuteance 5 Eet Doppler appliqueacute agrave lastrophysique (AD 1h) 73

MSP 17 - Instrument de musique 75A Seacuteance 1 La musique est une science (AD 30min) 75B Seacuteance 2 Comme fonctionne une guitare (AE 2h) 76C Seacuteance 3 Comment fonctionne un instrument agrave vent (RP eacutevalueacutee) 77D Seacuteance 4 Jouer un son eacutelectronique (AE 2h) 78E Seacuteance 5 Traitement du son (DM eacutevalueacute) 79

MSP 18 - Rotation dun solide 80A Seacuteance 1 Eet dune force sur la rotation dun solide (AE) 80B Seacuteance 2 Eet dun couple de forces sur la rotation dun solide (AE) 81C Seacuteance 3 Solide en rotation autour dun axe xe et soumis agrave une

force de moment constant (AE) 81D Seacuteance 4 Puissance moyenne et couple de force (AD) 82E Seacuteance 5 Chute dune bille dans lair (AE) 83

MSP 19 - Les uides dans lhabitat 85A Seacuteance 1 Variation de pression dans une colonne deau (AE) 85B Seacuteance 2 Mesure du deacutebit et de vitesse deacutecoulement (AE) 86C Seacuteance 3 Bioclimatisation et pompe agrave chaleur (AD) 87D Seacuteance 4 Mesure de lenthalpie de fusion de leau (AE) 87E Seacuteance 5 Eacutebullition de leau sous pression reacuteduite (AE+AD) 88

MSP 20 - Structure dune onde eacutelectromagneacutetique Ondes polariseacutees ounon polariseacutees Polariseur analyseur 89

A Seacuteance 1 Les lunettes aux verres polariseacutes (AD) 89B Seacuteance 2 Production dune lumiegravere polariseacutee (AE) 90C Seacuteance 3 Veacuterication de la loi de Biot (Deacutemarche investigation) 91D Seacuteance 4 Deacutetermination de la concentration massique en saccharose

dans le sirop contre la toux (AE eacutevalueacutee) 92

MSP 21 - Utiliser leacutenergie transporteacutee par les ondes Interfeacuterences construc-tives et destructives Ondes stationnaires Caviteacute reacutesonnante modespropres 93

A Seacuteance 1 Mise en eacutevidence du pheacutenomegravene pour dieacuterents typesdonde (AE eacutevalueacutee) 94

B Seacuteance 2 Les ondes stationnaires (AE) 96C Seacuteance 3 Diapason du La 440 Hz (AE) 97

MSP 22 - Observer voir plus loin 98A Seacuteance 1 Le principe des miroirs (AE) 98B Seacuteance 2 Le teacutelescope (AE+RP) 99C Seacuteance 3 Reproduction du teacutelescope (AE) 100D Seacuteance 4 Les teacutelescopes les plus puissants actuels et en construction

(AD) 101

MSP 23 - Systegraveme oscillants en meacutecanique et en eacutelectriciteacute Exemplesdans dieacuterents domaines de freacutequences Analogies eacutelectromeacutecaniquesAspects eacutenergeacutetiques eets dissipatifs amortissement 102

A Seacuteance 1 Fonctionnement du sismographe (AD) 103B Seacuteance 2 Eacutetude des oscillations libres dun pendule (AE) 103C Seacuteance 3 Le circuit RLC (AE) 105

MSP 24 - Oscillation forceacutees Notions de reacutesonance 107A Seacuteance 1 Introduction agrave la vibration et oscillation aux quotidiens

(AD) 108B Seacuteance 2 Fonctionnement du sismographe (AD) 108C Seacuteance 3 Loscillateur amorti (AE) 108D Seacuteance 4 Le diapason eacutelectronique (AE) 108E Seacuteance 5 Le pont de Tacoma (AE) 109F Seacuteance 6 Amplier la note Mi (AE) 110

MSP 1 - La pression

Niveau 2nd

Thegraveme La pratique du sport

Bulletin Ociel bull Savoir que dans les liquides et dans les gaz la matiegravere est constitueacutee de moleacuteculesen mouvementbull Utiliser la relation P = FS eacutetant la force pressante exerceacutee sur une surface Sperpendiculairement agrave cette surfacebull Savoir que la dieacuterence de pression entre deux points dun liquide deacutepend de ladieacuterence de profondeurbull Savoir que la quantiteacute maximale de gaz dissous dans un volume donneacute de liquideaugmente avec la pressionbull Savoir que agrave pression et tempeacuterature donneacutees un nombre donneacute de moleacutecules oc-cupe un volume indeacutependant de la nature du gazbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetablir un modegravele agrave partir dune seacuteriede mesure

Bibliographie Physique-Chimie 2nd (2018) Hachette Physique-Chimie 2nd (2016) Hatier

Preacute-requis Eacutetats de la matiegravere et description microscopique -composition de lair mesure de pression dun gaz (cycle 4)

Contexte Lalpinisme et la plongeacutee Cest le dernier chapitre de lanneacutee on peut eacutevaluerla deacutemarche expeacuterimentale lutilisation dExcel

A Seacuteance 1 Pression et force pressante (AE)

Voir page 288 du Hachette

Lobjectif de cette seacuteance est de deacutenir la notion de pression et de deacutecrire la relationentre pression et force pressante

A travers des manipulations neacutecessitant une seringue cloche sous vide manomegravetre etun systegraveme composeacute de piston+masse les eacutelegraveves vont devoir faire quelques expeacuteriences ande mettre de comprendre la notion de force pressante et deacutetablir la relation P = FSPour cela dans une ultime manip les eacutelegraveves vont devoir tracer leacutevolution de la force enfonction de la surface pour un enfoncement constant donc pour une pression constante etconclure sur le type de relation existant entre F et S lorsque la pression est constante

B Seacuteance 2 Pression dans un liquide au repos (AE)

Lors dune plongeacutee en apneacutee leet ressenti par le corps du plongeur deacutepend de laprofondeur de la plongeacutee Comment varie la pression dans leau avec la profondeur

Lobjectif de cette seacuteance est de savoir que la dieacuterence de pression entre deux pointsdun liquide deacutepend de la dieacuterence de profondeur + pratiquer une deacutemarche expeacuterimen-tale pour eacutetablir un modegravele agrave partir dune seacuterie de mesure

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mettre en place une deacutemarche expeacuterimentale Hypothegravese la pression augmente avec la profondeur de maniegravere proportionnelle(APP)

Protocole mesure de P agrave laide dun manomegravetre et de z agrave laide dune regravegle (ANA) Mesures (REA) Exploitation traceacute Excel de P = f(z) (REA) proposer une loi et comparer agravelhypothegravese (VAL)

Reacutediger un CR (COM)Ils doivent arriver agrave la relation P = Patm + ρgz

C Seacuteance 3 La surpression pulmonaire (AE+AD)

Lobjectif de cette seacuteance est de mettre en avant la loi de Boyle-Mariotte

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition une seringue et manomegravetre En supposantque le nombre de mole n de gaz est constant et apregraves une manip qualitative ougrave on voirque linuence du volume de la seringue sur la valeur de la pression ils vont devoir pourdieacuterent volume de la seringue mesurer la pression Et nalement deacuteduire que PV = cste

A laide de document ils pourront comprendre pourquoi il faut souer en remontantlors dune plongeacutee sous marine

D Seacuteance 4 La solubiliteacute des gaz dans les liquides (AE+AD)

Voir page 291 du Hachette et page 212 du Hatier

Lobjectif de la seacuteance est de savoir comment la solubiliteacute augment avec la pression

Pour cela on prendra soit une cloche sous vide avec deux beacutechers remplie deau nongazeuse et gazeuse(CO2) En faisant une manip qualitative ils vont comprendre que lorsquela pression de lair chute brutalement le liquide restitue les gaz dissous sous forme depetites bulles

MSP 2 - Les eacutetoiles

Niveau 2nd

Thegraveme Lunivers

Bulletin Ociel bull Savoir quun corps chaud eacutemet un rayonnement continu dont les proprieacuteteacutes deacute-pendent de la tempeacuteraturebull Repeacuterer par sa longueur donde dans un spectre deacutemission ou dabsorption uneradiation caracteacuteristique dune entiteacute chimiquebull Utiliser un systegraveme dispersif pour visualiser des spectres deacutemission et dabsorptionet comparer ces spectres agrave celui de la lumiegravere blanchebull Savoir que la longueur donde caracteacuterise dans lair et dans le vide une radiationmonochromatiquebull Interpreacuteter le spectre de la lumiegravere eacutemise par une eacutetoile tempeacuterature de surface etentiteacutes chimiques preacutesentes dans latmosphegravere de leacutetoilebull Connaitre la composition chimique du Soleilbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetablir un modegravele agrave partir dune seacuteriede mesures et pour deacuteterminer lindice de reacutefraction dun milieubull Interpreacuteter qualitativement la dispersion de la lumiegravere blanche par un prisme

Bibliographie Physique-Chimie 2nd (2018) Hachette Physique-Chimie 2nd Nathan Physique-Chimie 2nd Bordas Physique-Chimie 2nd (2016) Hatier

Preacute-requis Propagation rectiligne de la lumiegravere composition de la lumiegravere blanche(cycle 4)

Contexte Les eacutetoiles sont extrecircmement loin de la terre Comment mieux les connaicirctre En observant la lumiegravere qui nous parvient Attention il faut prendre en compte la reacutefrac-tion dans latmosphegravere Ainsi on pourra connaicirctre leur tempeacuterature et leur compositionchimique

Cette seacutequence vient apregraves celle concernant la premiegravere description de lunivers (distanceset vitesse de propagation de la lumiegravere) et preacutecegravede la seacutequence sur latome

A Seacuteance 1 Mise en eacutevidence et explication du pheacutenomegravene dereacutefraction (AD+manip prof)

Voir page 42 et 43 du Hachette

Lobjectif de cette seacuteance est de deacutecouvrir et scheacutematiser le pheacutenomegravene de reacutefraction(qualitatif ici)

Pour cela le professeur met en place deux manips 1 Manip avec une seule reacutefraction dans une eau homogegravene

2 Manip seacuterie de reacutefraction dans une eau saleacutee mal meacutelangeacute (stratieacute)

Application a la position reacuteelleapparente dune eacutetoile ou du soleil quand il se couche

B Seacuteance 2 Reacutefraction de la lumiegravere (AE)

voir page 250 du Hatier et page 142 du Nathan

Lobjectif de cette seacuteance est de retrouver les lois de Snell-Descartes agrave travers unedeacutemarche expeacuterimentale pour eacutetablir un modegravele agrave partir dune seacuterie de mesures et pourdeacuteterminer lindice de reacutefraction dun milieu (utilisation dExcel)

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir 1 Proposer un protocole expeacuterimental pour retrouver la loi qui deacutecrit la reacutefraction eectuer une seacuterie de mesure pour les couples i1 et i2 (angle de 0 agrave 80) et tracer i1en fonction de i2 pour veacuterier la proportionnaliteacute pour retrouver la bonne loi

2 Utiliser la loi pour retrouver linde de reacutefraction du plexiglas (15 en theacuteorie)

C Seacuteance 3 Dispersion de la lumiegravere blanche (AE+AD)

Lobjectif de cette seacuteance est dinterpreacuteter la dispersion de la lumiegravere blanche par uncylindreprisme pour comprendre la formation des arc en ciels + montrer un montagedispersif

Pour cela les eacutelegraveves positionne selon un certain angle la lumiegravere blanche qui va taperdans le prisme et observe sur un eacutecran la deacutecomposition de la lumiegravere Cette manip valeur permettre de reacutepondre agrave la probleacutematique de la formation des arc en ciels

D Seacuteance 4 Lumiegravere des eacutetoiles (AE eacutevalueacutee)

Lobjectif de cette seacuteance est dutiliser un systegraveme dispersif savoir quun corps chaudeacutemet un spectre continu dont les proprieacuteteacutes deacutependent de la tempeacuterature spectre deacutemis-sion et dabsorption

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir 1 Proposer un montage dispersif et font varier la tempeacuterature du lament agrave laidedun rheacuteostat

2 Le prof montre le spectre deacutemission et dabsorption (page 29 du Hachette) agrave laidedun spectromegravetre puis les eacutelegraveves travaillent avec une animation 2

2 httpswwwedumedia-sciencescomfrmedia661-spectre-demission-et-dabsorption

Figure 1 Pour obtenir le spectre deacutemission et absorption

E Seacuteance 5 Analyse de la lumiegravere dune eacutetoile (ADRP eacutevalueacutee)

Voir page 30 du Hachette et page 259 du Bordas et page 269 du Hatier

Lobjectif de cette seacuteance documentaire est dinterpreacuteter le spectre de la lumiegravere eacutemisepar une eacutetoile et connaitre la composition du soleil

Pour cela les eacutelegraveves vont avoir un corpuscule de documents qui leur permettront decomprendre et connaitre la composition du soleil en eacutetudiant son spectre deacutemission

MSP 3 - Couleur vision et image Loeil lentille mince convergente

fonctionnements compareacutes de loeil etdun appareil photographique

Niveau 1er S

Thegraveme Observer - Couleurs et images

Bulletin Ociel bull Deacutecrire le modegravele de ldivideil reacuteduit et le mettre en correspondance avec ldivideil reacuteelbull Deacuteterminer graphiquement la position la grandeur et le sens de limage dun objet-plan donneacutee par une lentille convergentebull Modeacuteliser le comportement dune lentille mince convergente agrave partir dune seacuterie demesuresbull Utiliser les relations de conjugaison et de grandissement dune lentille mince conver-gentebull Modeacuteliser laccommodation du cristallinbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour comparer les fonctionnements optiquesde ldivideil et de lappareil photographique

Bibliographie Physique-Chimie 1er S (2011) Hachette Physique-Chimie 1er S Bordas Expeacuteriences de physique optique (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis 2de Propagation rectiligne de la lumiegravere dans un milieu transparent loisde Snell - Descartes reacutefraction 1ere S avec le programme de SVT (le cristallin les pho-toreacutecepteurs)

Contexte Comment ldivideil nous permet il de percevoir le monde qui nous entoure

Cette seacutequence est le premier chapitre de lanneacutee et preacutecegravede la seacutequence sur la couleur desobjets-synthegravese additive et soustractive

A Seacuteance 1 Modeacutelisation de ldivideil (AD)

Voir page 18 du Bordas et page 15 du Hachette

Que voyez-vous Introduction avec des illusions doptique Pourquoi une image peut-elle ecirctre interpreacuteteacutee de dieacuterentes maniegraveres Ldivideil est lorgane permettant la vision dequoi est-il constitueacute

Lobjectif de cette seacuteance est de deacutecrire le modegravele de ldivideil reacuteduit et le mettre en cor-respondance avec ldivideil reacuteel

Pour cela les eacutelegraveves auront agrave disposition un ensemble de document et videacuteo (Ldivideil etla vision) et ils devront compleacuteter le scheacutema de loeil

Dans la correction on pourra utiliser le mateacuteriel magneacutetique avec le scheacutema de loeilpour montrer le fonctionnement de ldivideil (laser + lentille convergente + scheacutema de loeil)

Dans un second temps on sinteacuteressera au cristallin assimilable agrave une lentille conver-gente A partir du mateacuteriel magneacutetique et de documents les eacutelegraveves vont deacutecouvrir le typede lentille existant

En mecircme temps ils pourront apprendre la scheacutematisation de systegraveme optique avec letrajet des rayons lumineux et le vocabulaire associeacute agrave cette repreacutesentation objet imagefoyer objet foyer image vergence

B Seacuteance 2 Relation pour une lentille convergente (AE)

Voir page 16 du Hachette ou page 19 du Bordas

Lobjectif de cette seacuteance est de modeacuteliser le comportement dune lentille mince conver-gente agrave partir dune seacuterie de mesures

Dans un premier temps le prof montre les dieacuterents cas pour une lentille convergenteselon le type de rayon incident en utilisant le mateacuteriel magneacutetique

Puis les eacutelegraveves vont devoir Proposer un protocole expeacuterimentale Faire des mesures Exploiter les mesures tracer 1OAprime en fonction de 1OA Deacuteterminer lordonneacutee agrave lorigine 1f prime

Calcul du grandissement γ = AprimeBprimeAB Conclure

C Seacuteance 3 Deacutefauts et accommodation de loeil (AD+AE)

Voir page 19 du Bordas et page 47 du Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est de deacuteterminer graphiquement la position la grandeuret le sens de limage dun objet-plan donneacutee par une lentille convergente Constructiongraphique dune image et faire le lien avec les deacutefauts de loeil + deacuteterminer graphique-ment la position la grandeur et le sens de limage dun objet-plan donneacutee par une lentilleconvergente Utiliser les relations de conjugaison et de grandissement dune len-tille mince convergente Modeacuteliser laccommodation du cristallin

La seacuteance vas seacutetaler en trois parties 1 Ldivideil emmeacutetrope animation avec une lentille + construction graphique On donneaux eacutelegraveves les donneacutees utiles (f distance cristallin reacutetine distance objet cristallinet taille objet et ils doivent construire le systegraveme optique agrave la main

2 Ldivideil myope on dispose du mateacuteriel magneacutetique et de donneacutee On proposera unecorrection de la myopie lentille divergente (+ documents)

3 Laccommodation de loeil Pour cela agrave laide de documents et en ayant vu la videacuteocanopeacute le cristallin peut modier sa forme les eacutelegraveves vont devoir modeacuteliser loeilreacuteduit au repos et modeacuteliser laccommodation

D Seacuteance 4 Ldivideil et lappareil photographique (AE)

Voir page 14 du Hachette et page 20 du Bordas

Lobjectif de cette seacuteance est de pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour comparerles fonctionnements optiques de loeil et de lappareil photographique

La comparaison entre loeil et un appareil photo est-elle justieacute

Les eacutelegraveves vont devoir SAPP Hypothegraveses eacutemises pour retrouver une image nette (changer de lentilles focale rapprocher leacutecran)

ANA et REA Pour chaque hypothegravese preacuteciser la grandeur physique modieacutee indiquer la nouvelle valeur de la grandeur veacuterier expeacuterimentalement faire unscheacutema

ANA Attribuer lune ou lautre des modifs au fonctionnement de ldivideil ou delappareil photo

ANA A laide des docs preacuteciser les pheacutenomegravenes en jeu dans la mise au point delappareil photo

VAL Valider avec un appareil photo manuel COM Conclure

Pour obtenir une image nette dun objet proche avec la maquette de ldivideil la distancelentille-eacutecran eacutetant xe il faut modier la forme de la lentille jouant le rocircle du cristallinLorsque lobjet se rapproche il faut goner deau la poche de silicone pour retrouver uneimage nettePour obtenir une image nette dun objet proche avec la maquette de lappareil photogra-phique la distance focale de la lentille eacutetant xe il faut modier la distance lentille-eacutecranAgrave partir dune viseacutee agrave linni (vision nette dun objet tregraves eacuteloigneacute) pour visualiser un objetproche il faut reculer leacutecran

MSP 4 - Leacutenergie sa conservation etses transferts

Niveau 1ere S

Thegraveme Comprendre et Agir

Bulletin Ociel bull Connaitre et utiliser lexpression de leacutenergie cineacutetique dun solide en translation etde leacutenergie potentielle de pesanteur dun solide au voisinage de la Terrebull Reacutealiser et exploiter un enregistrement pour eacutetudier leacutevolution de leacutenergie cineacute-tique de leacutenergie potentielle et de leacutenergie meacutecanique dun systegraveme au cours dunmouvementbull Connaicirctre diverses formes deacutenergiebull Exploiter le principe de conservation de leacutenergie dans des situations mettant en jeudieacuterentes formes deacutenergie

Bibliographie Physique-Chimie 1er S (2012) Durupthy Hachette Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Description du mouvement (2nd)

Contexte Comment expliquer des pheacutenomegravenes physiques agrave travers le principe de conser-vation de leacutenergie

A Seacuteance 1 Conservation de leacutenergie (AD 1h)

voir page 220 et page 223 du Hachette

Le but de cette seacuteance est de permettre aux eacutelegraveves de comprendre la notion de conser-vation de leacutenergie et de voir quil peut exister dieacuterentes types deacutenergies

B Seacuteance 2 Conservation agrave travers leacutenergie thermique (AE 1h)

voir page 221 du Hachette

Cette seacuteance a pour but de connaicirctre diverses formes deacutenergie et dexploiter le principede conservation de leacutenergie dans des situations mettant en jeu dieacuterentes formes deacutenergie

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition un calorimegravetre une canette un grand beacutecherune eacuteprouvette gradueacutee une plaque chauante et deux capteurs de tempeacuteratures Pour

mener agrave bien lexpeacuterience on verse une masse m2 (par exemple 350 g) deau froide dansle calorimegravetre et une masse m1 (par exemple 200 g) deau chaude dans la canette Onintroduit la canette agrave linteacuterieur du calorimegravetre et on suit leacutevolution des tempeacuteratures dechaque masse deau au cours du temps Lors de lexpeacuterience les sondes ne doivent pastoucher les parois et il faut agiter leacutegegraverement pour que la tempeacuterature soit homogegravene agravelinteacuterieur de chaque masse deau

Ils doivent observer une diminution de la tempeacuterature de leau chaude et une augmen-tation de leau chaude Le transfert deacutenergie entre ces deux masses deau est leacutenergiethermique (donneacutee)

Eth = mceau∆T (1)

On peut alors comparer la valeur de Eth1 et Et2 il y a une leacutegegravere dieacuterence du aux pertesavec le milieu exteacuterieur mais on peut essayer dexpliquer le principe de la conservation deleacutenergie dans ce systegraveme

Rq Voir deacutetail sur le calorimegravetre page 448 du Bellier

C Seacuteance 3 La chute de la balle (AE 2h)

Cette seacuteance a pour objectif de reacutealiser et exploiter un enregistrement pour eacutetudierleacutevolution de leacutenergie cineacutetique de leacutenergie potentielle et de leacutenergie meacutecanique dunsystegraveme au cours dun mouvement

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition une webcam (Avimeacuteca) une balle rouge uneregravegle Ils doivent lmer le mouvement de chute de la balle et obtenir les coordonneacutees vi-tesse de la balle au cours du temps Ainsi ils pourront calculer leacutenergie cineacutetique leacutenergiepotentielle et leacutenergie meacutecanique (on peut mecircme lmer le rebond de la balle et observerquil a transfert deacutenergie de la balle vers le sol rarr diminution de leacutenergie meacutecanique)

Dans un second temps les eacutelegraveves vont tomber la balle dans un liquide visqueux Ilsdoivent observer que leacutenergie meacutecanique diminue du fait des frottements

D Seacuteance 4 Le pendule (Devoir maison)

voir page 233 22) et 26)ou 27) du Hachette

Le but de cette derniegravere seacuteance est deacutevaluer les notions acquises durant la leccedilon quan-tiais de leacutenergie dun systegraveme par leacutetude de son mouvement conservation de leacutenergiecomment savoir si le systegraveme cegravede de leacutenergie agrave lenvironnement et comment quantierleacutenergie ceacutedeacute (et sous quelle forme est-elle ceacutedeacute )

MSP 5 - Convertir leacutenergie eteacuteconomiser les ressources Productionde leacutenergie eacutelectrique puissanceConversion deacutenergie dans un

geacuteneacuterateur un reacutecepteur Loi dOhmEet Joule Notion de rendement de

conversion

Niveau 1ere S

Thegraveme Agir - Deacutes du XXIe siegravecle

Bulletin Ociel bull Distinguer puissance et eacutenergiebull Connaitre et utiliser la relation liant puissance et eacutenergiebull Connaitre et comparer des ordres de grandeur de puissancesbull Scheacutematiser une chaicircne eacutenergeacutetique pour interpreacuteter les conversions deacutenergie enterme de conservation de deacutegradationbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour mettre en eacutevidence leet Joule expri-mer la tension aux bornes dun geacuteneacuterateur et dun reacutecepteur en fonction de lintensiteacutedu courant eacutelectriquebull Recueillir et exploiter des information portant sur un systegraveme eacutelectrique agrave basseconsommation

Bibliographie Physique-Chimie 1er S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie 1er S (2012) Micromega

Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Lois de leacutelectriciteacute (cycle 4) Formes et principe de conservation de leacutenergie(1S)

Contexte En quoi la science permet-elle de reacutepondre aux deacutes rencontreacutes par lHommedans sa volonteacute de deacuteveloppement tout en preacuteservant la planegravete

Cette leccedilon passe apregraves la seacuteance concernant les ressources eacutenergeacutetiques transport etstockage + eacutevaluation diagnostique acquis cycle 4

A Seacuteance 1 Rappels sur les lois de leacutelectriciteacute (AE 1h)

voir page 255 C du Hachette

Lobjectif de cette seacuteance est de remeacutedier aux acquis insusants du cycle 4 preacutepareacutesuite agrave leacutevaluation

Pour cela on peut mettre en place dieacuterents ateliers Un atelier qui a pour but de mesurer la tension aux bornes dune reacutesistance et lecourant pour retrouver la valeur de la reacutesistance du dipocircle on trace U = f(I)

Un autre atelier ougrave les eacutelegraveves vont devoir mesurer la puissance P (avec un wattmegravetreun consomegravetre) et leacutenergie consommeacute (E = P∆t) dun appareil de la vie courante(bouilloire par exemple de dieacuterent classe A et D) an de pouvoir les comparer

B Seacuteance 2 Les lampes basses consommations (AD)

Voir page 254 du Hachette et page 282 du micromega

Le but de cette seacuteance est de preacutesenter linteacuterecirct des ampoules basse consommationCela se fait en comparant les puissances de fonctionnement de dieacuterents modegraveles

Rq Il est possible de faire la manip plutocirct quune eacutetude de doc mais ccedila se complique sion ne dispose pas de 2 lampes fournissant le mecircme angle (solide) deacuteclairement (1lux =1Wm2)

C Seacuteance 3 Caracteacuteristique dun geacuteneacuterateur (AE 1h30)

MANIP voir page 256 du Hachette

Le but de cette mettre en eacutevidence de faccedilon expeacuterimentale lexpression de la tensionaux bornes dun geacuteneacuterateur et de scheacutematiser une chaine eacutenergeacutetique

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition dune pile plate un voltmegravetre un ampegrave-remegravetre deux reacutesistances et un interrupteur (pour eacuteviter le deacutechargement de la pile encontinue) (Penser agrave mesurer E avant de faire deacutebiter la pile Emes gt Etheo)

Durant la seacuteance ils devront tracer la caracteacuteristique du dipocircle en faisant varier lareacutesistance Rprime (ne pas deacutepasser 200mA) A partir de cette courbe ils pourront obtenir laforce eacutelectromotrice E du geacuteneacuterateur en regardant lordonneacutee agrave lorigine Le coecientde la droite donnera la reacutesistance interne de la pile Ainsi il faudra en deacuteduire que latension aux bornes de la pile seacutecrit U = E minus rI La puissance est alors P = EI minus rI2 etleacutenergie Eelec = P∆t = (EI minus rI2)∆t = Echimique minus Ejoules On pourra alors deacuteterminerle rendement

η =ConsommeFournie

=Eelec

Echimique

Ils devront enn proposer le scheacutema de la chaine eacutenergeacutetique de la pile (reacutecepteur)

Rq Voir quelques notions en plus page 143 du Bellier

D Seacuteance 4 Caracteacuteristique dun reacutecepteur et mise en eacutevidencede leet Joule (AE 1H)

MANIP voir page 256 du Hachette et page 448 du Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour mettre eneacutevidence le fonctionnement dun reacutecepteur et de leet Joule

Durant cette seacuteance les eacutelegraveves vont travailler de maniegravere autonome Ils auront agrave leurdisposition un calorimegravetre une reacutesistance un thermomegravetre

Ils vont devoir tracer la caracteacuteristique du conducteur ohmique pour en deacuteduire larelation de la forme U = E prime+ rI De plus ils devront observer leacutevolution de la tempeacutera-ture dans le calorimegravetre pour dieacuterent valeur de lintensiteacute le geacuteneacuterateur a transfeacutereacute deleacutenergie eacutelectrique au conducteur ohmique et on remarque un transfert thermique entrele conducteur et leau qui sest eacutechaueacute

Ainsi les eacutelegraveves auront compris la naliteacute dans lutilisation dun reacutecepteur (chauf-fageconvecteur par exemple) et linteacuterecirct dutiliser un geacuteneacuterateur (fournir leacutenergie avecun rendement max)

Rq Pour le calorimegravetre on a E = mCp∆T = (meauCpeau +mcaloCpcalo)

MSP 6 - Gestion de leacutenergie danslhabitat Eacutenergie interne

tempeacuterature Capaciteacute thermiquemassique Transfert thermique Flux

thermique

Niveau 1ere STI2D-STL

Thegraveme Habitat

Bulletin Ociel bull Mesurer des tempeacuteraturesbull Citer les deux eacutechelles principales de tempeacuteratures et les uniteacutes correspondantesbull Associer la tempeacuterature agrave lagitation interne des constituants microscopiquesbull Associer leacutechauement dun systegraveme agrave leacutenergie reccedilue stockeacutee sous forme deacutenergieinternebull Exprimer la variation deacutenergie interne dun solide ou dun liquide lors dune varia-tion de tempeacuteraturebull Deacutenir la capaciteacute thermique massiquebull Preacutevoir le sens dun transfert thermique entre deux systegraveme dans des cas concretsainsi que leur eacutetat nalbull Deacutecrire qualitativement les trois modes de transfert thermique en citant des exemplesbull Reacutealiser expeacuterimentalement le bilan thermique dune enceinte en reacutegime station-nairebull Expliciter la deacutependance entre la puissance rayonneacute par un corps et sa tempeacuteraturebull Citer le lien entre la tempeacuterature dun corps et la longueur donde pour laquelleleacutemission de la lumiegravere est maximalebull Mesurer leacutenergie eacutechangeacutee par transfert thermique

Bibliographie Physique-Chimie 1er STI2D-STL (2012) Hachette Expeacuterience de physique eacutelec (4ed) Bellier Dunod Physique-Chimie Tle S (2012) Bordas

Preacute-requis

Contexte Le chauage est la premiegravere deacutepense en eacutelectriciteacute des franccedilais Un axe pourreacuteduire ces deacutepenses est la construction de maisons plus eacuteconomes gracircce aux mateacuteriaux

choisis Quelle caracteacuteristique doivent avoir ces mateacuteriaux quelles sont les pertes ther-miques au niveau des murs

Cette leccedilon passe apregraves la seacuteance concernant leacutenergie la puissance et conservation deleacutenergie et preacutecegravede la seacutequence sur le bilan eacutenergeacutetique dans un circuit eacutelectrique

A Seacuteance 1 La mesure de tempeacuterature (AD)

A chercher

Lobjectif de cette seacuteance est de citer les deux eacutechelles principales de tempeacuteratures etles uniteacutes correspondantes et associer la tempeacuterature agrave lagitation interne des constituantmicroscopiques

Durant cette seacuteance documentaire les eacutelegraveves vont devoir faire des recherches an dereacutepondre agrave de nombreuse questions date du premier thermomegravetre fonctionnement duthermomegravetre liquides utiliseacutes autres capteurs de tempeacuterature eacutechelle de tempeacuteraturedans le systegraveme SI relation entre les deux uniteacutes et que se passe-t-il agrave leacutechelle micro-scopique lorsquon chaue un corps

B Seacuteance 2 Variations deacutenergie interne et de tempeacuterature (AE)

Voir page 66 du Hachette STI2D et page 387 du Bordas

Durant cette seacuteance lobjectif est de mesurer des tempeacuteratures associer leacutechauementdun systegraveme agrave leacutenergie reccedilue stockeacutee sous forme deacutenergie interne Exprimer la variationdeacutenergie interne dun solide ou dun liquide lors dune variation de tempeacuterature Deacutenirla capaciteacute thermique massique

Pour comprendre le pheacutenomegravene daccumulation deacutenergie les eacutelegraveves vont saider dedocuments du Bordas et proceacuteder agrave plusieurs expeacuteriences

1 Accumulation deacutenergie pour des substances dieacuterentes inuence de la capaciteacutethermique (eacutenergie agrave fournir agrave un mateacuteriau pour eacutelever sa tempeacuterature dun kelvin)

2 Accumulation deacutenergie en fonction de leacutenergie apporteacutee on utilise un thermoplon-geur pour chauer de leau et pour dieacuterente eacutenergie de chaue on note tempeacuteratureinitiale et nale pour pouvoir tracer W = f(θ) lineacuteaire

3 Accumulation deacutenergie en fonction de la quantiteacute deau inuence de la masseOn fait le suivi de la tempeacuterature pour une mecircme variation de tempeacuterature pourdieacuterente masse deau (mesure avec un joulemegravetre

On doit arriver agrave la relation Q = ∆U = mc(θf minus θi)

C Seacuteance 3 Deacutetermination de la capaciteacute thermique de lalumi-nium (AE eacutevalueacutee)

voir page 72 du Hachette STI2D ou page 388 du Bordas ou page 447 du Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est de deacutenir la capaciteacute thermique massique et reacutealiser ex-peacuterimentalement le bilan thermique dune enceinte en reacutegime stationnaire

Probleacutematique Pour accumuler leacutenergie entrant dans une maison on construit desmurs en pierre ou en brique Pourrait-on choisir un autre mateacuteriau laluminium parexemple

Tissage avec activiteacute preacuteceacutedente la capaciteacute thermique massique dun mateacuteriau in-dique la capaciteacute de ce dernier agrave accumuler de leacutenergie lors de leacuteleacutevation de 1 C et pour1kg de mateacuteriau

A partir de la derniegravere seacuteance les eacutelegraveves vont devoir agrave partir du mateacuteriel quils ont agravedisposition (calorimegravetre thermomegravetre eau masse daluminium et bouilloire)

Proposer un protocole Reacutealiser des mesures Valider la mesure sachant que c(Al) = 903JkgC Conclure

D Seacuteance 4 Dieacuterents modes de transferts thermiques (AE)

voir page 39 du Hachette STI2D et page 369 du Bordas

Lobjectif de la seacuteance est de deacutecrire qualitativement les trois modes de transfertsthermiques en citant des exemples Preacutevoir le sens dun transfert thermique entre deuxsystegravemes dans des cas concrets ainsi que leur eacutetat nal

Probleacutematique Quels sont les modes de transferts thermiques

Dans un premier temps le prof preacutesente une manip introductive les eacutelegraveves doiventpreacutedire leacutevolution des tempeacuteratures au bout dun tregraves long temps

Puis il y va y avoir trois pocircles dexpeacuterience avec les binocircmes qui tournent avec uneche dactiviteacute agrave remplir

Expeacuterience 1 Conduction on utilise un segraveche-cheveux + barre de ferre + support+ cire de bougie Il y a un transfert thermique de lextreacutemiteacute chaude vers lextreacutemiteacutefroide dans la tige meacutetalliqueLes atomes de la partie chaude posseacutedant une eacutenergiecineacutetique microscopique plus grande que ceux de la partie froide communiquent deproche en proche agrave ces derniers une partie de leur eacutenergie

Expeacuterience 2 Convection on utilise une plaque chauante + encre + beacutecher aveceau et thermomegravetre Lorsque lon fait chauer une casserole remplit deau la plaquechauante commence par augmenter la tempeacuterature de leau preacutesente au fond dela casseroleCette eau plus chaude devient moins dense que leau froide et va avoirtendance agrave remonter vers le haut de la casserole tandis que leau froide du hautva eectuer le chemin inverse et va du coup ecirctre chaueacutee plus rapidement car plusproche de la plaque chauante Application aux mouvements de masse dair

Expeacuterience 3 Rayonnement on utilise du papier noir + Aluminium avec un ther-momegravetre au contact du papier + une lentille convergente de courte focale (loupe)et une source de lumiegravere ou soleil

Rq Le transfert thermique par conduction neacutecessite un milieu mateacuteriel Leacutenergie esttransporteacutee de proche en proche geacuteneacuteralement dans un solide sans deacuteplacement de ma-tiegravereLe transfert thermique par convection neacutecessite un milieu mateacuteriel Leacutenergie est trans-porteacutee par des mouvements de matiegravere au sein dun gaz ou dun liquideLe transfert thermique par rayonnement ne neacutecessite pas de milieu mateacuteriel Leacutenergie esttransporteacutee par des ondes eacutelectromagneacutetiquesUn transfert thermique est un transfert deacutenergie irreacuteversible

E Seacuteance 5 Les transferts thermiques dans lhabitat (RP)

A trouver et voir page 371 du BordasLe proviseur du lyceacutee souhaite ameacuteliorer lisolation du lyceacutee pour reacuteduire les deacutepenses

de chauage Il a fait appel agrave un professionnel qui dispose dune cameacutera thermique

Lobjectif de la seacuteance est de deacutecrire qualitativement les trois modes de transfertsthermiques en citant des exemples Mesurer leacutenergie eacutechangeacutee par transfert thermiqueExpliciter la deacutependance entre la puissance rayonneacutee par un corps et sa tempeacuterature Ci-ter le lien entre la tempeacuterature dun corps et la longueur donde pour laquelle leacutemission

de lumiegravere est maximale

Probleacutematique Dans quelles zones du lyceacutee les pertes thermiques sont-elles les plusimportantes Quelle est la quantiteacute deacutenergie thermique qui seacutechappe de ces zones Quelest la valeur du ux thermique durant une heure

Pour cela on donnera aux eacutelegraveves la photo de la faccedilade du lyceacutee accompagneacute de docu-ments sur le rayonnement et la tempeacuterature des corps et des informations sur les carac-teacuteristiques dune cameacutera thermiqueIls devront faire les hypothegraveses simplicatrices neacutecessaires simple vitrage tempeacuteraturesconstantes et auront agrave leur disposition thermomegravetres un megravetre reacutesistance thermique duverre capaciteacute thermique du verre

Pour ameacuteliorer lisolation de la maison on peut mettre de bon isolation pour eacuteviterles pertes par conduction (voir manip du Bordas on peut donner la relation directementQ = Rth∆θ = e(λS)∆θ

MSP 7 - Ondes sonores etultra-sonores propagation

Thegraveme Santeacute

Bulletin Ociel bull Mesurer la ceacuteleacuteriteacute dune onde sonore ou ultra-sonorebull Deacuteterminer expeacuterimentalement des distances agrave partir de la propagation dun signalbull Associer les eacutenergies transmises et reacuteeacutechies agrave la nature des dieacuterents milieuxbull Deacutenir et mesurer quelques grandeurs physiques associeacutees agrave une onde sonore pres-sion acoustique amplitude peacuteriode freacutequence ceacuteleacuteriteacute longueur dondebull Eacutenoncer quun milieu mateacuteriel est neacutecessaire agrave la propagation dun onde sonorebull Donner lordre de grandeur de la ceacuteleacuteriteacute du son dans quelques milieux air liquidesolide

Bibliographie Physique-Chimie 1er STI2D-STL (2012) Hachette

Preacute-requis Cycle 4 Ondes sonores T f (lieacutee agrave la note de musique) risques auditifs 2nd Ondes ultra-sonores c T f mesure de distances appliqueacute agrave leacutechographie 1egravereSTI2D Partie Habitat - confort acoustique ondes sonores et ultra-sonores

Contexte Les ondes sonores ont eacuteteacute eacutetudieacutees dans le thegraveme de lhabitat On va icimontrer le danger des ondes sonores sur notre santeacute et introduire les ondes ultra-sonores

Cette leccedilon passe apregraves la seacuteance concernant ondes meacutecaniques ondes progressives etpreacutecegravede la seacutequence sur les antiseptiques et deacutesinfectants

A Seacuteance 1 Quelles sont les caracteacuteristiques dune onde ultra-sonore (AE)

Lobjectif de cette seacuteance est de rappeler comment on peut avec un dispositif adapteacutemesureacute la ceacuteleacuteriteacute dune onde ou des distances

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition un oscilloscope et un eacutemetteur et deux reacutecep-teurs ils vont devoir en deacuteduire la ceacuteleacuteriteacute du son dans lair et savoir eacutevaluer des distances

A laide de documents ils devront caracteacuteriser londe freacutequence peacuteriode longueurdonde et eacutegalement classe la ceacuteleacuteriteacute du son suivant le milieu air eau solide

B Seacuteance 2 Deacutetermination de la ceacuteleacuteriteacute (AE)

Lobjectif de la seacuteance est daborder les notions concernant les eacutenergies transmises etreacuteeacutechies agrave la nature des dieacuterents milieux et de mesure de ceacuteleacuteriteacute

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition dieacuterents mateacuteriaux cartonbois lainede verremousse et tissus eacutemetteur et reacutecepteur oscilloscope et GBF Dans un premiertemps les eacutelegraveves vont devoir caracteacuteriser londe ultra-sonore et calculer la peacuteriode

La seacuteance va se diviser en dieacuterentes parties 1 Regarder la transmission des mateacuteriaux on place les mateacuteriaux entre leacutemetteuret le reacutecepteur et lon observe si lon enregistre un signal apregraves lobjet Si cest le cason peut alors calculer un coecient de transmission T = AtransmiseAincidente

2 Regarder la reacuteexion des mateacuteriaux on place eacutemetteur et reacutecepteur au mecircmeniveau et du mecircme cocircteacute vis agrave vis de lobjet et on regarde si il y a reacuteception On peutcalculer une coecient de reacuteexion T = AreechieAincidente

3 En deacuteduire un tableau reacutesumant les caracteacuteristiques de chacun des mateacuteriaux transmission reacuteexion et absorption Il y a absorption si il ny a ni reacuteexion et nitransmission

C Seacuteance 3 Fabrication dun eacutechographe (AE eacutevalueacutee)

Lobjectif ici est de deacuteterminer expeacuterimentalement des distances agrave partir de la propa-gation dun signal

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir eacutelaborer une deacutemarche expeacuterimentale pour essayer detrouver un objet poseacute sur de la mousse qui se trouve dans une boite en bois recouverte parun tissu Pour cela ils ont agrave disposition une sonde eacutemetteurreacutecepteur et un oscilloscopeet GBF possible de le faire sur latis pro

D Seacuteance 4 Les ultrasons dans le domaine meacutedical (AD)

Lobjectif de cette seacuteance est daborder les autres utilisations des ultrasons pour lasanteacute + reacutedaction dun cours paragraphe ou un exposeacute

Ainsi chaque groupe deacutelegraveve devra rechercher une des applications des ultrasons dansle domaine de la santeacute et le preacutesenter nettoyeur agrave ultrasons nettoyage des lentillestraitement de certains cancers (prostate) et traitement des calculs reacutenaux

MSP 8 - Appareil photographiquenumeacuterique

Niveau 1ere STL-SPCL

Thegraveme Images photographiques

Bulletin Ociel bull Illustrer expeacuterimentalement le principe de mise au point automatiquebull Associer leacuteclairement de leacutenergie reccedilus au nombre douverture et au temps de posebull Eacutetablir expeacuterimentalement la relation entre eacuteclairement et le nombre douverturebull Illustrer expeacuterimentalement e principe dun appareil agrave viseacutee reexbull Mesurer un angle de champ et un grossissementbull Relier langle de champ et le grandissement agrave la distance focal de lobjectif et agrave lataille du capteurbull Comparer expeacuterimentalement le grossissement et langle de champ de dieacuterentsobjectifsbull Illustrer expeacuterimentalement leet du diaphragme douverture sur la profondeur dechampbull Mesurer le grossissement dun systegraveme optiquebull Distinguer zoom optique et zoom numeacuterique

Bibliographie Physique-Chimie 1er S Bordas Physique-Chimie 1er S (2011) Hachette Site SPCL

Preacute-requis Optique geacuteomeacutetrique faisceau lumineux objetimage lentille conjugaison(1 STL-SPCL) Modegravele simplieacute de ldivideil (1 STL-SPCL)

Contexte Comment fonctionne un APN Sur quels paramegravetres peut-on jouer pourameacuteliorer la qualiteacute de limage

A Seacuteance 1 Ldivideil et lappareil photo (AD+AE)

Lobjectif de cette seacuteance est de connaicirctre les eacuteleacutements constituants un appareil photoet leur rocircle faire lanalogie avec ldivideil Modeacuteliser un appareil photo sur un banc optiqueExpliquer le principe de la mise au point (manuelle)

La comparaison entre ldivideil et un appareil photo est-elle justieacute

B Seacuteance 2 Mise au point ouverture et temps de pose (AD+AE)

Voir seacutequence 6 activiteacute 3

Dans un premier temps les eacutelegraveves vont prendre une photo avec la mise au point auto-matique (nette) et une autre sans (oue)Le but est ce comprendre que lappareil avancerecule la lentille et pour chaque positionil mesure le contraste entre pixels voisins (histogramme) Le contraste le plus eacuteleveacute =limage la plus nettePour enlever la mise au point auto MF (manual focus) gt arrecirct de la mise au point autoGIMP gt seacutelectionner 10 agrave 20 pixelsFichier gt Nouveau gt Coller la seacutelection Couleur gt Information gt Histogramme

On observe une plage de contraste plus large pour la photo nette

La seacuteance va se diviser en trois parties ayant pour but de comprendre quelques reacuteglageque fait lappareil automatiquement pour rendre limage nette

1 Etude documentaire sur la deacutenition du temps de pose et du nombre douverture

2 Observation et analyse de photographies les eacutelegraveves vont prendre en photo un pen-dule en mouvement avec un reacuteglage classique (120) gt image oue Puis en modesport (160) gt image netteLe temps de pose court rend limage plus sombre car moins deacutenergie lumineuse estreccedilue par le capteur

Puis ils vont prendre une autre photo en diminuant louverture du diaphragmepour constater la dieacuterence de quantiteacute de lumiegravere qui entre pour un mecircme tempsdexposition mais une ouverture de diaphragme dieacuterente

3 Approfondir leacutetude de louverture du diaphragme eacutetude expeacuterimentale Pour com-penser et augmenter leacuteclairement on peut augmenter le ux lumineux en ouvrantle diaphragme (D) donc diminuer louverture (N = f primeD) les eacutelegraveves vont devoireacutetudier sur banc optique la relation reliant N et leacuteclairement E (en Lux)

Ils vont devoir tracer avec Excel leacuteclairement reccedilu en fonction de louverture E = f(1n2)

Dans la derniegravere partie on remarque que louverture a un autre eet elle modie laprofondeur de champs On peut le veacuterier facilement

La baisse de luminositeacute due agrave la reacuteduction de louverture peut ecirctre compenseacutee par uneaugmentation du temps de pose

C Seacuteance 3 Angle de champ grandissement grossissement (AE)

Voir synthegravese G

Durant cette seacuteance le but est deacutetudier le zoom et angle de champ dun appareilphoto Pour cela la seacuteance va se deacutecomposer en deux parties

1 Le zoom les eacutelegraveves vont essayer de mettre en divideuvre le zoom en modiant lataille de limage formeacutee sur le capteur lorsque lobjet est agrave une distance donneacutee il faut changer la distance focale Ils doivent aussi essayer de comprendre que lezoom optique ne doit pas ecirctre confondu avec le zoom numeacuterique lequel consiste agraveagrandir la photographie informatiquement apregraves sa prise voir partie H

2 Angle de champ le zoom entraine une diminution de langle de champs Les eacutelegravevespeuvent eacutelaborer une deacutemarche scientique pour retrouver la relation α asymp Lf prime

MSP 9 - Photographie numeacuteriquephoto-deacutetecteur

Bulletin Ociel bull Mettre en divideuvre expeacuterimentalement une photo-diode ou un photo-transistorbull Expliquer le principe des capteurs photosensibles CCD dun appareil photogra-phique numeacuteriquebull Reacutealiser une activiteacute expeacuterimentale pour relier leacuteclairement reccedilu par un capteur etla grandeur eacutelectrique mesureacuteebull Relier la sensibiliteacute agrave la reacutesolution et agrave la surface du capteur

Bibliographie Expeacuteriences de physique eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod Site SPCL

Preacute-requis Optique geacuteomeacutetrique appareil photo numeacuterique (1 STL-SPCL) Lois deleacutelectriciteacute (cycle 4)

Contexte Comment fonctionne lAPN Sur quels critegraveres choisir un appareil photocommercial

A Seacuteance 1 Le chemin de la photo et image numeacuterique (AD+AE)

Voir synthegravese H et seacutequence 7 activiteacute 1

Lobjectif de cette seacuteance est de faire comprendre de maniegravere globale le chemin delimage et le rocircle de chaque eacuteleacutement

Puis dans un second temps les eacutelegraveves vont devoir eacutetudier un document an de com-prendre ce quest une image numeacuterique et pour deacutenir la relation entre deacutenition et reacute-solution linuence de la reacutesolution sur la qualiteacute dune image la mesure de la reacutesolutiondun dispositif dachage

B Seacuteance 2 Fonctionnement du capteur CCD (AD+AE)

Voir synthegravese H et agrave creacuteer et page 260 du Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est dexpliquer le principe dun capteur photosensible CCDet de faire une eacutetude expeacuterimentale de la photo-diode + introduire la sensibiliteacute

Pour cela les eacutelegraveves vont eacutetudier le comportement dune photo-diode tracer la courbecaracteacuteristique de celle ci I = f(E) La pente de la droite repreacutesentera la sensibiliteacute dela photo-diode

C Seacuteance 3 Sur quels critegraveres choisir un appareil photo (AE+AD)

Lobjectif est de relier sensibiliteacute reacutesolution et surface de capteur + comparer la sen-sibiliteacute dun capteur agrave une norme

ISO=International Organization for Standardization Sur les appareils photo numeacute-rique vous avez la possibiliteacute de reacutegler la sensibiliteacute de votre capteur 100 ISO 200 ISO400 ISO 800 ISO Plus la valeur ISO est basse (100 200 ISO) moins le capteur estsensible ce qui veut dire quil lui faut plus de lumiegravere pour creacuteer une image Et plus lavaleur ISO est eacuteleveacutee plus votre capteur est sensible agrave la lumiegravere En contrepartie vousallez voir apparaicirctre du bruit sur vos images Le bruit ce sont des grains qui peuvent ecirctredisgracieux pour la photo

Pour cela les eacutelegraveves vont proceacuteder agrave des manips simples prendre une photo dans un endroit lumineux agrave 400 ISO = OK eacuteteindre la lumiegravere et prendre une nouvelle photo agrave 400 ISO = Sombre et granuleux prendre agrave 1600 ISO = OK et granuleux

On peut reacutegler la sensibiliteacute du capteur mais attention ce nest quune amplication eacutelec-tronique le capteur a une sensibiliteacute native (100 ou 200 ISO)

Les eacutelegraveves auront agrave leur disposition notice commerciale dappareils photos avec sensi-biliteacute et taille du capteur nombre de pixels (reacutesolution)Les eacutelegraveves apprennent agrave relier les 3 grandeurs et leur inuence sur la qualiteacute de limagenumeacuterique

Rq En photographie argentique la sensibiliteacute est deacutetermineacutee essentiellement par le choixdu lm photographique (= la pellicule) Les lms de sensibiliteacute eacuteleveacutee permettent une plusgrande souplesse car ils rendent possible la photographie en basse lumiegravere Cette souplessese paie cependant par une augmentation de la granulation de limage et une diminutionde la reacutesolution

MSP 10 - Mesure du temps etoscillateur amortissement

Niveau Terminale S

Thegraveme Comprendre lois et modegraveles - temps mouvement eacutevolution

Bulletin Ociel bull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour mettre en eacutevidence les dieacuterents pa-ramegravetres inuenccedilant la peacuteriode dun oscillateur meacutecanique son amortissementbull Analyser les transferts eacutenergeacutetiques au cours dun mouvement dun point mateacuterielbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetudier leacutevolution des eacutenergies cineacute-tique potentielle et meacutecanique dun oscillateurbull Extraire et exploiter des informations sur linuence des pheacutenomegravenes dissipatifs surla probleacutematique de la mesure du temps et la deacutenition de la secondebull Extraire et exploiter des informations pour justier lutilisation des horloges ato-miques dans la mesure du temps

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan

Preacute-requis Eacutenergie meacutecanique E cineacutetique E potentielle (cycle 4 + 1ere S) Forceset mouvements modeacutelisation dune force par un vecteur lien entre force et mouvement(2nd)

Contexte Comment exploite-t-on des pheacutenomegravenes peacuteriodiques pour acceacuteder agrave la mesuredu temps

Cette leccedilon est apregraves le travail dune force et preacutecegravede le temps et relativiteacute restreinte

A Seacuteance 1 Le pendule pour mesurer le temps (AE 1h30)

MANIP page 186 du Hachette et page 226 du Nathan

Le but de cette seacuteance est de faire pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour mettreen eacutevidence les dieacuterents paramegravetres inuenccedilant la peacuteriode dun oscillateur meacutecanique etson amortissement

Pour cela on va utiliser le pendule pesant Jeulin On dira que lon neacuteglige la masse (enreacutealiteacute il faudrait calculer le barycentre et passer par le moment dinertie J = (112)ML2

pour une barre pour reacutesoudre proprement la chose) On utilisera Latis Pro pour enregis-trer langle au cours du temps du pendule le pendule deacutelivre une tension proportionnelleθ

Les eacutelegraveves devront ainsi dans cette seacuteance mesurer la peacuteriode du pendule mais aussiobserver linuence de la masse (pas dinuence) de la longueur du pendule (T augmente)et de langle initiale (θ isochronisme pour les petits angles seulement) sur la peacuteriode T

Pour ecirctre preacutecis on mesure la peacuteriode sur au moins 10 peacuteriodes

Rq isochronisme peacuteriode identique pour des petits angles (lt20)

B Devoir Maison Le pendule de Huygens

Dans cette seacuteance lobjectif est dextraire des informations et dargumenter ses reacute-ponses agrave laide dun document

C Seacuteance 2 Eacutetude eacutenergeacutetique des oscillations libres dun pen-dule (AE eacutevalueacutee 1h30)

MANIP voir page 187 du HachetteLobjectif ici est de pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetudier leacutevolution des

eacutenergies cineacutetique potentielle et meacutecanique dun oscillateur et mettre en eacutevidence leetdune force non conservative force de frottement uide (force de frottement solide neacutetantpas au programme )

Durant cette seacuteance les eacutetudiants vont dabord devoir enregistrer le mouvement dupendule dans le cas ougrave il ny a pas de frottement (faire le calcul de leacutenergie sur le modegravelesinus et sur 10 peacuteriodes pas plus) le temps dacquisition est de 30 secondes et il y a 2000points

Dans un second temps on ajoute un amortissement soit en xant un genre de disqueaccrocheacute avec un aimant pour avoir une prise au vent ou alors en utilisant laimant etune plaque dalu pour freiner avec les courants de Foucault qui est du mecircme type defrottement que frottement uide

Rq On appelle courants de Foucault les courants eacutelectriques creacuteeacutes dans une masseconductrice soit par la variation au cours du temps dun champ magneacutetique exteacuterieurtraversant ce milieu (ici deacuteplacement de laimant) soit par un deacuteplacement de cette massedans un champ magneacutetiqueLoi de Lenz le courant induit est tel que par ses eets il soppose aux causes qui lui ontdonneacute naissance

Rq Le travail dune force conservatrice est indeacutependant du chemin suivi Ex le poids(P = mg) la force eacutelectrostatique (F = qE)Le travail dune force non-conservatrice est deacutependant du chemin suivi Ex force de frot-tementLa conservation sapplique agrave leacutenergie Si une des forces appliqueacutee au systegraveme est non-conservative leacutenergie totale diminue car elle se dissipe sous forme de chaleur

A partir de lacquisition de langle au cours du temps les eacutelegraveves devront calculer leacutener-gie potentiel (mgl(1minuscos θ)) cineacutetique ((12)mv2 avec v = ldθdt) et meacutecanique au coursdu temps

Rq Script Latis Pro

D Seacuteance 3 La quecircte de la preacutecision (AD + )

Lobjectif de cette seacuteance dextraire et exploiter des information relatives agrave la mesuredu temps pour justier leacutevolution de la deacutenition de la seconde extraire et exploiter des

informations sur linuence des pheacutenomegravenes dissipatifs sur la probleacutematique de la mesuredu temps et la deacutenition de la seconde et extraire et exploiter des informations pour jus-tier lutilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps

Une horloge atomique utilise le signal deacutelivreacute par un oscillateur agrave quartz qui oscille agraveune freacutequence stable dans le temps Cette freacutequence correspond agrave celle du rayonnementeacutechangeacute par un atome de ceacutesium lors dune transition entre deux niveaux particuliers Leceacutesium existant sous un seul isotope cette freacutequence est la mecircme pour tous les atomesLes vibrations du quartz sont donc stables dans le tempsLutilisation des horloges atomiques est limiteacutee car elles sont diciles agrave mettre en divideuvreet ont un coucirct eacuteleveacute

MSP 11 - Temps cineacutematique etdynamique newtonienne

Niveau Terminale S

Bulletin Ociel bull Choisir un reacutefeacuterentiel deacutetudebull Deacutenir et reconnaitre des mouvement (rectiligne uniforme rectiligne uniformeacutementvarieacute circulaire uniforme circulaire non uniforme) et donner dans chaque cas lescaracteacuteristiques du vecteur acceacuteleacuterationbull Deacutenir la quantiteacute de mouvement minusrarrp dun point mateacuterielbull Connaitre et exploiter les trois lois de Newton les mettre en divideuvre pour eacutetudierdes mouvements dans des champs de pesanteur et eacutelectrostatique uniformesbull Mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetudier un mouvementbull Mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale pour interpreacuteter un mode de propul-sion par reacuteaction agrave laide dun bilan qualitatif de quantiteacute de mouvement

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan Expeacuteriences de physique - Meacutecanique (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Forces et mouvements description dun mouvement modeacutelisation duneforce par un vecteur lien entre force et mouvement choix dun reacutefeacuterentiel deacutetude (2nd)

Contexte Comment explique-t-on le mouvement des objets par les lois de Newton

Cette leccedilon preacutecegravede les lois de Kepler

A Seacuteance 1 Eacutetude des mouvement rectilignes (AE 1h30)

MANIP page 131 du Hachette

Le but de cette seacuteance est de mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale poureacutetudier un mouvement

Pour cela on va utiliser un mobile auto-porteacute A laide de ce mateacuteriel les eacutelegraveves de-vront tracer les vecteurs vitesse vecteur acceacuteleacuteration et appliquer la 1er et seconde loi deNewton il y aura deux cas

Un cas ougrave on lance le mobile avec une vitesse initiale sur le plan horizontal enconsideacuterant que le mobile est pseudo isoleacute (on prendra 1cm = 10cms et ∆t = 60mspar exemple)

Un cas ougrave on lance le mobile sans vitesse initiale en utilisant une masse (forceconstante)

La premiegravere loi de Newton est illustreacutee par la premiegravere expeacuterience car le point mateacuterielest animeacute dun mouvement rectiligne uniformeDans le premier enregistrement le mobile est animeacute dun mouvement rectiligne uniformeil est donc soumis agrave des forces qui se compensent La reacutesultante des forces est eacutegale auvecteur nul dans ce casDans le second enregistrement la reacutesultante des forces appliqueacutees au mobile est pro-portionnelle agrave lacceacuteleacuteration agrave chaque instant elle a mecircme direction et mecircme sens quelacceacuteleacuteration

Dans le cas dun mouvement rectiligne uniforme le vecteur acceacuteleacuteration est eacutegal auvecteur nulDans le cas dun mouvement rectiligne uniformeacutement acceacuteleacutereacute le vecteur acceacuteleacuteration estconstant dans le sens du mouvement

Rq Pour le traceacute des vecteurs vitesse et acceacuteleacuteration voir page 600 du Hachette

B Seacuteance 2 Eacutetude de mouvement circulaire (AD+ 1h)

Voir page 132-133 du Hachette

Lobjectif de cette seacuteance est de mettre en divideuvre une deacutemarche documentaire poureacutetudier un mouvement circulaire au cours du temps

Pour cela on distingue deux cas leacutetude de mouvement circulaire uniforme les planegravetes On donne agrave leacutelegraveve lesdonneacutees de la position de Veacutenus en fonction de la date et il doit construire lesdieacuterentes positions et vecteurs

leacutetude de mouvement circulaire non uniforme le pendule On donne directementla photo aux eacutelegraveves qui ne font que lexploitation tracer les vecteurs vitesses etacceacuteleacuteration

Rq Deacutemo soit θ(t) = ωt+ θ0 alors on en deacuteduit les coordonneacutees du point M

xM(t) = r cos(ωt+ θ0) et yM(t) = r sin(ωt+ θ0)

dougrave lon deacuteduit lacceacuteleacuteration

ax(t) = minusrω2 cos(ωt+ θ0) et ay(t) = minusrω2 sin(ωt+ θ0)

On remarque alors minusrarra = minusωminusminusrarrOM donc lacceacuteleacuteration tangentielle est nulle at = 0 et donc

an = ||minusrarra || =radic

(minusrω2 cos(ωt+ θ0))2 + (minusrω2 sin(ωt+ θ0))2 = rω2

On peut obtenir la valeur de la vitesse en fonction de la peacuteriode de reacutevolution v = 2πrTet ω = 2πT = vr et alors

an = rv2

C Seacuteance 3 Propulsion et quantiteacute de mouvement (AE 1h)

MANIP voir page 134 du Hachette ou page 167 du Nathan

Durant cette seacuteance lobjectif est de mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale pourinterpreacuteter un mode de propulsion par reacuteaction agrave laide dun bilan qualitatif de quantiteacutede mouvement et dinterpreacuteter la 3eme loi de Newton (principe des actions reacuteciproques)

bull Dans un premier temps les eacutelegraveves vont eacutetudier de maniegravere qualitative la propulsionpar reacuteaction (Deacutemo voir page 252 du Bellier)La quantiteacute de mouvement du systegraveme initialement agrave larrecirct est nulleLorsque lair commence agrave seacutechapper la valeur de la quantiteacute de mouvement du systegravemeconstitueacute du mobile et du ballon qui nest plus que partiellement rempli dair augmenteElle est opposeacutee agrave celle de lair qui seacutechappe si lon considegravere que la quantiteacute de mouve-ment se conserveLa masse de lair qui seacutechappe est plus faible que celle du mobile Comme les quantiteacutesde mouvement p = m middot v ont la mecircme valeur les vitesses sont dieacuterentes celle du corpsle plus lourd doit ecirctre plus faible que celle du plus leacuteger La valeur de la vitesse de lairest donc plus grande que celle du mobile

La propulsion par reacuteaction sexplique par la conservation de la quantiteacute de mouvementdun systegraveme et du uide quil eacutejecte Le systegraveme eacutejecte un uide avec une vitesse impor-tante La conservation de la quantiteacute de mouvement implique que le systegraveme se mettraen mouvement dans le sens opposeacute agrave celui du uide eacutejecteacute

bull Dans un second temps les eacutelegraveves procegravedent agrave une eacutetude quantitative on reproduitla situation deacutecrite dans le livre en utilisant des mobile auto-porteacutes et on montre que laquantiteacute de mouvement se conserve on peut soit faire percuter les deux mobiles ou bienfaire utiliser les aimants comme expliqueacute dans le manuel Le but eacutetant de veacuterier queminusrarrp init = mi

minusrarrvi1 +mi

minusrarrvi2 = mf

minusrarrvf1 +mf

minusrarrvf2 = pfinal

D Seacuteance 4 Eacutetude du mouvement de la chute dune balle (AE2h)

MANIP voir page 156 Hachette et page 259 du BellierLobjectif durant cette seacuteance est de mettre en divideuvre une deacutemarche pour eacutetudier un

mouvement en exploitant les lois de Newton

Pour cela les eacutetudiant on a leur disposition une rampe de lancement une balle rougeun appareil photo+pied pour lacquisition videacuteo et une regravegle pour leacutechelle

Pour utiliser les videacuteos il faut lmer en 100 ims si possible convertir (IVCtransco-deur) en uncompressedavi ouvrir avec Atelier scientique couper le deacutebut et la n dela videacuteo eacutetalonnage et traitement

Les eacutelegraveves devront enregistrer la trajectoire de la balle pointer les dieacuterentes coordon-neacutees au cours du temps de cette derniegravere pour pouvoir obtenir une trajectoire y = f(x)et la modeacuteliserParallegravelement ils doivent eacutegalement eacutetablir leacutequation de la trajectoire par le calcul Onpeut alors calculer la constante de graviteacute g

Rq Voir exploitation possible dans Hachette page 602

E Seacuteance 5 La spectomeacutetrie de masse (ExerciceAD 1h)

Voir exo 23 page 177 et exo 26 page 179 du Hachette et page 262 du Bellierpour la culture

Lobjectif de cette seacuteance est dexploiter les lois de Newton pour eacutetudier le mouvementdes particules dans un champ eacutelectrostatique

Rq Numeacutero atomique 42He donc q = 2e

Rq En preacutesence dun champ magneacutetique on aminusrarrF = qminusrarrv and

minusrarrB Cette force est constante et

constamment perpendiculaire agrave la trajectoire cest la force centripegravete dun mouvementcirculaire uniforme eacutegale agrave mv2RB dougrave

= qvB (1)

avec RB rayon moyen de la trajectoire

Rq Leacutenergie cineacutetique W acquise en n dacceacuteleacuteration pour un ion agrave la sortie de lasource est eacutegale agrave qV W = (12)mv2 = qV avec m masse de lion v vitesse de lion qcharge de lion et V potentiel dacceacuteleacuterationTous les ions quelle que soit leur masse possegravedent la mecircme eacutenergie cineacutetique W agrave lasortie du champ dacceacuteleacuteration V A ce niveau les ions arrivent dans une reacutegion libre dechamp ougrave ils ne sont plus soumis agrave aucune force et sont animeacutes dun mouvement rectiligneuniformeCes ions posseacutedant des masses dieacuterentes et une eacutenergie cineacutetique identique ont donc desvitesses dieacuterentes La deacuteexion magneacutetique est le moyen le plus reacutepandu pour seacuteparerces ions

MSP 12 - Proprieacuteteacutes des ondes interfeacuterences et image numeacuterique

stockage optique

Niveau Terminale S

Thegraveme Observer Caracteacuteristiques et proprieacuteteacutes des ondes

Agir deacutes du XXIe siegravecle Transmettre et stocker de linformation

Bulletin Ociel bull Connaitre et exploiter les conditions dinterfeacuterences constructives et destructivespour des ondes monochromatiquesbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetudier quantitativement le pheacuteno-megravene dinterfeacuterence dans le cas des ondes lumineusesbull Associer un tableau de nombres agrave une image numeacuteriquebull Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un capteur (cameacutera ou appareilphoto numeacuteriques par exemple) pour eacutetudier un pheacutenomegravene optiquebull Expliquer le principe de la lecture par une approche interfeacuterentiellebull Relier la capaciteacute de stockage et son eacutevolution au pheacutenomegravene de diraction

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan Physique-Chimie Tle S (2012) Bordas Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD par interfeacuterence agrave ondes multiplesacadeacutemie de Paris

Expeacuteriences de physique - Meacutecanique (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Les rayonnements eacutelectromagneacutetiques (UV Radio visible) lumiegravere blanchemonochromatique (2nd + Term) Ondes meacutecaniques + diraction (Term) Synthegravese ad-ditive RVB (1ere)

Contexte Il faut associer 3 parties du BO qui ne se suivent pas Lideacutee est de preacutesenterlors de la MSP des situations ougrave les interfeacuterences sont exploiteacutees (pas du disque + lectureoptique)

A Seacuteance 1 Interfeacuterence en lumiegravere monochromatique (AE 2h00)

MANIP page 64 du Hachette et page 186 du Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est de pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetu-dier quantitativement le pheacutenomegravene dinterfeacuterences dans le cas des ondes lumineuses

Pour cela dans un premier temps le professeur fait une manip pour illustrer ce pheacuteno-megravene on prend une cuve agrave onde et on procegravede agrave linterfeacuterence entre deux ondes

Dans un second temps leacutelegraveve va proceacuteder agrave deux eacutetudes Une premiegravere qualitative ougrave il va pouvoir observer des franges dinterfeacuterences avecdeux fentes deacutenir la notion dinterfrange et de coheacuterence (cas de deux lasers)

Une deuxiegraveme quantitative ougrave il va faire les paramegravetres expeacuterimentaux tel que a λet D pour trouver la relation i = λDa utile si lon veut deacutenir la longueur dondedun laser

Rq Notion de coheacuterence la coheacuterence spatiale (en augmentant louverture de S voir gure) une multitudede sources primaires reacuteparties dans lespace peuvent donner lieu agrave une superpo-sition anarchique de systegravemes de franges conduisant au brouillage de la guredinterfeacuterence

la coheacuterence temporelle une source primaire constitueacutee dune multitude de radiationharmoniques (source non monochromatique) peut conduire au brouillage

B Seacuteance 2 Eacutetude dune gure dinterfeacuterences agrave laide duneimage numeacuterique (AE eacutevalueacutee)

MANIP voir page 520 du Nathan

Cette activiteacute propose dutiliser une photographie numeacuterique preacutesente sur le site eacutelegravevean dinterpreacuteter la gure dinterfeacuterence en lumiegravere blanche par des fentes dYoung Il estsuggeacutereacute dextraire chacune des composantes R V et B de limage an de se ramener agrave

leacutetude dans les mecircmes conditions de trois gures dinterfeacuterence en lumiegraveres monochro-matiques rouge verte et bleueCette eacutetude est rendue possible par la conception mecircme du capteur de lappareil photo-graphique qui comporte comme indiqueacute par un document des ltres rouges verts et bleus

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mettre en place une deacutemarche expeacuterimentale Mettre en place le dispositif dinterfeacuterence puis de photographier la gure dinterfeacute-rence

Ils doivent supposer La photographie reacutesulte de laddition des gures dinterfeacuterenceen lumiegravere monochromatique correspondant agrave chacune des radiations eacutemises par lasource de lumiegravere blanche Lextraction de la composante R de la photographienumeacuterique correspond agrave la gure dinterfeacuterence en lumiegravere monochromatique delongueur donde correspondant au maximum de transmission λR = 600 nm dultre rouge du capteur comme indiqueacute par le document 10 De mecircme lextractiondes composantes V et B permet dobtenir les gures dinterfeacuterences en lumiegraveresmonochromatiques de longueurs donde λV = 520 nm et λB = 450 nm

Extraire les composantes R V et B Analyser les courbes de distribution de lintensiteacute (Veacuterication Hyp 2) mesure desinterfranges dans chaque cas et il doit en ressortir que le rapport des interfranges et lerapport des longueurs dondes est identique Lhypothegravese 2 est veacuterieacutee les imagesissues des composantes RVB correspondent aux gures dinterfeacuterence en lumiegraveremonochromatiques de longueurs donde λR λV et λB

Veacuterier lhypothegravese 1 Laddition des trois gures dinterfeacuterence permet dinterpreacute-

ter la gure dinterfeacuterence en lumiegravere blanche par synthegravese additive trichromatique

Conclure Chacune des radiations de la source de lumiegravere blanche forme une guredinterfeacuterence par les fentes dYoung Mais des radiations de freacutequences dieacuterentesninterfegraverent pas entre elles donc la gure dinterfeacuterence observeacutee correspond agrave lad-dition des gures dinterfeacuterence de toutes les radiations Linterfrange neacutetant pasle mecircme pour les dieacuterentes radiations (car il deacutepend de la longueur donde de laradiation) la gure dinterfeacuterence observeacutee ne preacutesente quune frange blanche (lafrange centrale) et quelques franges brillantes iriseacutees de part et dautre (Penseraux incertitudes )

Rq Un capteur dappareil photographique est formeacute de nombreux photosites sensibles agravela lumiegravere formant un quadrillage Chaque photosite est recouvert dun ltre rouge vertou bleu (pour sapprocher davantage de la sensibiliteacute de ldivideil il y a souvent davantagede photosites recouverts dun ltre vert) Le traitement des informations fournies par lesphotosites permet par extrapolation daecter un niveau R V et B agrave chaque photositeet donc agrave chaque pixel de limage reacutesultanteSi lon ne souhaite pas utiliser le logiciel Gimp le logiciel ImageJ permet deectuer laseacuteparation des composantes RVB dune image dans Image choisir Color puis Split Channel Puis tracer une droite et faire plot prol

C Seacuteance 3 Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD (AE1h)

MANIP voir page 224 du Bellier et doc Acadeacutemie de Paris

Au cours de cette seacuteance leacutelegraveve va mesurer le pas du sillon dun CD etou DVDPour cela une eacutetude dinterfeacuterence agrave ondes multiples par division du front donde viaun reacuteseau est proposeacutee Cette eacutetude preacutealable permet de veacuterier la formule des reacuteseauxPar analogie avec cette preacuteceacutedente eacutetude leacutetude dun CD ou DVD peut ecirctre meneacutee en

deacutemarche dinvestigationUne fois le pas du reacuteseau deacutetermineacute leacutetude peut ecirctre prolongeacutee par la deacutetermination delordre de grandeur de la capaciteacute en octet du CD et du DVD Ainsi cette eacutetude initieacuteedans la partie Interfeacuterences du thegraveme Observer peut servir de passerelle vers la partieStockage optique du thegraveme Agir

Dans un premier temps on peut proceacuteder agrave une eacutetude preacuteliminaire dun reacuteseau (reacuteseau de 140 traitsmm par exemple et D = 20 cm) pour veacuterier une loi expeacuterimentaleen donnant la relation

sin(ik) =kλ

avec k lordre de linterfeacuterence Il faut alors mesurer la position par rapport agrave la tachecentrale des maximas de lumiegravere Yk sur leacutecran (avec calcul derreur) et estimer sin(ik) =YkradicY 2k +D2 On peut ensuite tracer sin(ik) en fonction de k et calculer la pente pour

deacuteterminer a le pas du reacuteseau

Dans un second temps on va deacuteterminer le pas du sillon dun CD ou DVD Les objectifssont donc de mettre en place un protocole pour deacuteterminer le pas du sillon dun CD etde comparer le reacutesultat avec le pas dun sillon de DVDLe mateacuteriel neacutecessaire est statif muni dune pince laser eacutecran perceacute ou boicircte en cartonde deacutemeacutenagement perceacute regravegle dun megravetre CD et DVD (un seul coupeacute en morceauxeacuteventuellement) et des documents ressource retraccedilant lhistoire du CD et sa description

Figure 2 Dispositif CD et DVD

Rq Rappel sur les reacuteseaux page 172 du Bellier

D Seacuteance 4 Lecture dun disque optique (AD)

Lobjectif de cette seacuteance est dexpliquer le principe de la lecture dun disque optique approche interfeacuterentielleA laide de plusieurs documents les eacutelegraveves devront reacutediger une synthegravese des documentsquils ont agrave leur disposition expliquant le principe de lecture dun CD en utilisant lap-proche interfeacuterentielle

MSP 13 - Proprieacuteteacutes des ondes diraction et image numeacuterique

stockage optique

Niveau Terminale S

Bulletin Ociel bull Savoir que limportance du pheacutenomegravene de diraction est lieacutee au rapport de la lon-gueur donde aux dimensions de louverture ou de lobstaclebull Connaitre et exploiter la relation θ = λabull Identier les situations physiques ougrave il est pertinent de prendre en compte le pheacute-nomegravene de diractionbull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetudier ou utiliser le pheacutenomegravene dediraction dans le cas des ondes lumineusesbull Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un capteur (cameacutera ou appareilphoto numeacuteriques par exemple) pour eacutetudier un pheacutenomegravene optiquebull Expliquer le principe de la lecture par une approche interfeacuterentiellebull Relier la capaciteacute de stockage et son eacutevolution au pheacutenomegravene de diractionbull Reacutedaction dune synthegravese de documents

Preacute-requis Les rayonnements eacutelectromagneacutetiques (UV Radio visible) lumiegravere blanchemonochromatique (2nd + Term) Ondes meacutecaniques (Term) Synthegravese additive RVB(1ere)

Contexte Il faut associer 3 parties du BO qui ne se suivent pas Lideacutee est de preacutesenterlors de la MSP des situations ougrave les interfeacuterences sont exploiteacutees et une autre ou elle estun frein

Lobjectif de cette seacuteance est de pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetudierquantitativement le pheacutenomegravene de diraction dans le cas des ondes lumineuses inuencede la taille de lobstacle et relation θ = λa

Pour cela dans un premier temps le professeur fait une manip pour illustrer ce pheacuteno-megravene on prend une cuve agrave onde et on procegravede agrave la diraction dune onde

Dans un second temps leacutelegraveve va proceacuteder agrave trois eacutetudes Une premiegravere qualitative ougrave il va pouvoir observer la gure de diraction pourplusieurs obstacle fente trou cheveuxl

Une deuxiegraveme quantitative ougrave il va mesurer la longueur de la tache centrale ` pourplusieurs valeur de louverture a Ainsi il pourra calculer directement θ par la relationθ = `2D En traccedilant θ = f(1a)

Exploitation de la loi pour veacuterier leacutepaisseur dun l en utilisant les longueursde tacircche centrale pour dieacuterente ouverture a on trace le graphe L = f(a) ouL = f(1a) rarr on a une courbe deacutetalonnage Ainsi pour le cheveu ou l on mesurela tache centrale et on retrouve en abscisse le diamegravetre du l (valable pour le mecircmelaser utiliseacute tout le long de la seacuteance)

B Seacuteance 2 Eacutetude dune gure de diraction agrave laide dune imagenumeacuterique (AE eacutevalueacutee)

La possibiliteacute dutiliser un logiciel danalyse dimages numeacuteriques pour eacutetudier le pheacute-nomegravene de diraction est preacutesenteacutee avant de demander agrave leacutelegraveve de concevoir et de reacutealiserune manipulation utilisant ce moyen danalyse et le pheacutenomegravene de diraction dans le butde deacuteterminer la longueur donde de la radiation issue dun laser On se place ici dans desconditions denseignement reacutealistes la gure de diraction repreacutesenteacutee est proche de cellequobtiendront des eacutelegraveves dans une salle comportant un eacuteclairage parasite (ducirc en parti-culier aux eacutecrans dordinateurs) avec une webcam usuelle utiliseacutee en mode automatiquela source eacutetant une diode laser bon marcheacute et leacutecran placeacute agrave 15 m de la fente diractante

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mettre en place une deacutemarche expeacuterimentale Observer la gure de distribution permet de comparer les maxima dintensiteacutelumineuse des dieacuterentes taches de diraction

Interpreacuteter Les minima dintensiteacute nont pas une valeur nulle agrave cause de la lumiegravereparasite Ici ce nest pas la taille associeacutee agrave un pixel qui limite la preacutecision de lamesure mais plutocirct lappreacuteciation de la position des minima Avec ImageJ tracerune droite passant par la tache et faire AnalyzegtPlot Prole

Imaginer et mettre en divideuvre un protocole exemple de protocole 1 Mesurer la largeur L de la tache centrale de diraction avec des a variables2 Tracer des courbes deacutetalonnage L = f(1a)3 Deacuteterminer un modegravele pertinent modegravele lineacuteaire dans ce cas de coecientdirecteur k

4 Deacuteduire de k celle de λ θ = λa asymp L2D alors λ = k2D avec un calcul derreur

Piste dameacutelioration capteur plus performant utiliser tout le champ du capteurfaire plus de mesures etc

Rq bull Il est possible dutiliser une fonction du logiciel Regavi dite de lissage de lin-tensiteacute qui a pour rocircle de faire une moyenne des mesures sur plusieurs lignes depixels au-dessus et en-dessous de la ligne de mesures choisie Cela permet de reacuteduireles eets du bruit (visible par la granulariteacute de la photographie) sur la courbe dedistribution de lintensiteacute Dans cette activiteacute les mesures ont eacuteteacute eectueacutees avecun lissage de 3bull Hormis les eets de la lumiegravere parasite la distribution en intensiteacute de la gurede diraction ne possegravede pas les valeurs dintensiteacute preacutevues par la theacuteorie de ladiraction de Fraunhofer sans doute agrave cause de la saturation de certains pixels ducircagrave la luminositeacute importante dans la tache centrale et des reacuteglages imposeacutes par lelogiciel pilotant la webcambull Il est possible dutiliser un polariseur (deux si on utilise un laser non polariseacute)pour reacuteduire le pheacutenomegravene de saturation On peut ainsi envisager dutiliser un laserheacutelium neacuteon au faisceau plus propre mais plus intense que celui dune diode laserbull Vu la petite taille (quelques mm2) des capteurs de webcam la projection directe(apregraves avoir retireacute lobjectif de la webcam) de la gure de diraction sur le capteurne permet pas de se placer dans les conditions de Fraunhofer et la distribution enintensiteacute seacutecarte nettement de celle dont on a lhabitude

C Seacuteance 3 Stockage optique et ses limites (AD)

Voir page 546 du Hachette et page 538 et 14) page 544 du Bordas

Lobjectif de cette seacuteance est dexpliquer le principe du stockage dinformation sur undisque optique et daborder ses limites agrave cause du pheacutenomegravene de diraction

Pour stocker un maximum dinformation sur un disque sans en augmenter la surface ilfaut resserrer les sillons Cela neacutecessite donc un laser plus n pour lire une seule piste agrave lafois Pb si louverture du laser est trop faible le pheacutenomegravene de diraction va apparaicirctre Utiliser des radiations de longueurs donde plus courtes permet de diminuer le diamegravetredu faisceau de resserrer les lignes du disque optique et donc de pouvoir augmenter la

longueur de la spirale

A laide de plusieurs documents les eacutelegraveves devront reacutediger une synthegravese des documentsquils ont agrave leur disposition expliquant le principe du stockage de linformation et leslimites

D Seacuteance 4 Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD (AE1h)

MANIP voir page 224 du Bellier et doc Acadeacutemie de ParisCest plus une ouverture car on empiegravete avec la MSP 12

Au cours de cette seacuteance leacutelegraveve va mesurer le pas du sillon dun CD etou DVDPour cela une eacutetude dinterfeacuterence agrave ondes multiples par division du front donde viaun reacuteseau est proposeacutee Cette eacutetude preacutealable permet de veacuterier la formule des reacuteseauxPar analogie avec cette preacuteceacutedente eacutetude leacutetude dun CD ou DVD peut ecirctre meneacutee endeacutemarche dinvestigationUne fois le pas du reacuteseau deacutetermineacute leacutetude peut ecirctre prolongeacutee par la deacutetermination delordre de grandeur de la capaciteacute en octet du CD et du DVD Ainsi cette eacutetude initieacuteedans la partie Interfeacuterences du thegraveme Observer peut servir de passerelle vers la partieStockage optique du thegraveme Agir

sin(ik) =kλ

MSP 14 - Eacutenergie matiegravere etrayonnement transferts quantiquesdeacutenergie et proceacutedeacutes physiques de

transmission

Niveau Terminale S

Thegraveme Comprendre - Eacutenergie matiegravere et rayonnement

Bulletin Ociel bull Connaitre le principe de leacutemission stimuleacutee et les principales proprieacuteteacutes du laser(directiviteacute monochromaticiteacute concentration spatiale et temporelle de leacutenergie)bull Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un laser comme outil dinves-tigation ou pour transmettre de linformationbull Associer un domaine spectral agrave la nature de la transition mise en jeubull Exploiter des informations pour comparer les dieacuterents types de transmissionbull Caracteacuteriser une transmission numeacuterique par son deacutebit binairebull Eacutevaluer laaiblissement dun signal agrave laide du coecient datteacutenuationbull Mettre en divideuvre un dispositif de transmission de donneacutees (cacircble bre optique)

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S Bordas Physique-Chimie Tle S Nathan Expeacuteriences de physique Eacutelectriciteacute Bellier Dunod

Preacute-requis Caracteacuteristique des ondes propagations des ondes (lumiegraveres acoustiquemeacutecanique etc) eacutelectriciteacute

Contexte Comment transmettre de linformation dun point A agrave un point B

A Seacuteance 1 Fonctionnement dun laser (AD)

Voir page 404-406 du Bordas et page 408 du Nathan

Lobjectif de la seacuteance est de connaitre le principe de leacutemission stimuleacutee et les prin-cipales proprieacuteteacutes du laser (directiviteacute monochromaticiteacute concentration spatiale et tem-porelle de leacutenergie)

Pour cela les eacutelegraveves vont avoir agrave disposition un corpuscule de documents an de com-prendre le fonctionnement du laser et son domaine dutilisation

B Seacuteance 2 Transmission de linformation par un laser (AE)

Voir page 379 du Hachette page 407 du Bordas et page 408 du Nathan

Lobjectif de la seacuteance est de mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant unlaser comme outil dinvestigation ou pour transmettre de linformation

Pour cela les eacutelegraveves vont avoir agrave disposition un geacuteneacuterateur de meacutelodie un laser moduleacuteun phototransistorA partir de ces signaux ils vont devoir eacutevaluer le coecient datteacutenuation du milieu enfaisant le rapport entre lamplitude des signaux reccedilu et eacutemis

C Seacuteance 3 Transmissions par ondes hertziennes (AE)

Voir page 542 du Hachette et Bellier page 307

Lobjectif de la seacuteance est de mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental pour eacutetudierun autre type de transmission de linformation

Pour cela les eacutelegraveves vont dabord eacutetudier un document an de comprendre la relationentre les longueurs dondes et les domaines dutilisation des ondes en fonction de cesderniegraveres

Puis ils vont proceacuteder agrave deux eacutetudes 1 Propagation des ondes hertziennes ils doivent proceacuteder agrave leacutemission et reacuteceptiondun signal sinusoiumldale dans la piegravece et calculer un coecient datteacutenuation

2 Transmission par ondes hertziennes agrave laide dun multiplieur et un reacutecepteur laradio

D Seacuteance 4 La bre optique (AD+AE)

Lobjectif de cette seacuteance est deacutetudier la transmission de donneacutees (cacircble bre op-tique) par bre optique

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mettre en place un protocole expeacuterimental pour eacutetudierce pheacutenomegravenes Ils doivent mettre en place lencodeur et deacutecodeur an de pouvoir calculerle coecient datteacutenuation du signal

E Seacuteance 5 Signal analogique ou numeacuterique (AD+AE)

Voir page 550-551 du Nathan

Lobjectif de la seacuteance est de comprendre ce quest un signal analogique et numeacuteriqueet le principe de la numeacuterisation dun signal

Pour cela ils auront agrave disposition un corpuscule de document expliquant les carac-teacuteristiques dun signal analogique et numeacuterique et ils vont devoir numeacuteriser un signal une tension dun geacuteneacuterateur Ils observeront le signal agrave laide de Latis Pro mais aussidun oscilloscope et observerons la dieacuterence entre ces deux modes dacquisition Ennil eacutetudierons limpact de la variation de la peacuteriode deacutechantillonnage Te sur la qualiteacute dusignal

MSP 15 - Transmettre et stocker delinformation Signal analogique et

signal numeacuterique Proceacutedeacutes physique detransmission

Niveau Terminale S

Thegraveme Agir - deacutes du XXIe siegravecle

Bulletin Ociel bull Reconnaitre des signaux de nature analogique et des signaux de nature numeacuteriquebull Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un eacutechantillonneur-bloqueuretou un convertisseur analogique numeacuterique (CAN) pour eacutetudier linuence desdieacuterents paramegravetres sur la numeacuterisation dun signal (dorigine sonore par exemple)bull Exploiter des informations pour comparer les dieacuterents types de transmissionbull Caracteacuteriser une transmission numeacuterique par son deacutebit binairebull Eacutevaluer laaiblissement dun signal agrave laide du coecient datteacutenuationbull Mettre en divideuvre un dispositif de transmission de donneacutees (cacircble bre optique)

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan Physique-Chimie Tle S (2012) Bordas Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis 2nd Pheacutenomegravene de reacuteexion totale TS Caracteacuteristiques des ondes chaicircnede transmission dinformations

Contexte Le XXIe siegravecle est le siegravecle de la teacuteleacutecommunication (transmission dinfos agravelongue distance) un des deacutes franccedilais consiste ainsi agrave couvrir tout le territoire par desreacuteseaux de communication adapteacutes Quels sont les proceacutedeacutes physiques de transmissionexistants et en train de se deacutevelopper Et comment est stockeacutee linfo transmise

Cette leccedilon est apregraves chaicircne de transmission de linfo et preacutecegravede le stockage optique

A Seacuteance 1 Les dieacuterents types de transmissions de linforma-tion (AD 1h00)

voir page 540 du Hachette et page 517 et 527 du Nathan

Eacutechanger des donneacutees agrave linteacuterieur dun bacirctiment ou dun bout agrave lautre de la planegraveteneacutecessite des reacuteseaux de communication adapteacutes Les proprieacuteteacutes du canal de transmissiondeacutependent de la nature du signal agrave transmettre et de la distance entre leacutemetteur et lereacutecepteur

Lobjectif de cette seacuteance est dexploiter des informations pour comparer les dieacuterentstypes de transmission et de caracteacuteriser une transmission numeacuterique par son deacutebit binaire

On peut demander aux eacutelegraveves dans un premier temps de classer les dieacuterents typesde signaux qui sont utiliseacutes dans la vie de tout les jours et de deacuteterminer les avantages etinconveacutenients des modes de transmissions

Dans un second temps on leur demandera de construire les chaicircnes de transmission dequelques type de communications

Les proprieacuteteacutes du canal de transmission deacutependent de la nature du signal agrave transmettreet de la distance entre leacutemetteur et le reacutecepteur

Si aucune connaissance nest exigible pour cette seacutequence le bilan met en avant lesgeacuteneacuteraliteacutes qui ressortent de lactiviteacute des informations de natures varieacutees peuvent ecirctreeacutechangeacutees par lintermeacutediaire dun signal parcourant une chaicircne de transmission compor-tant au moins un eacutemetteur et un reacutecepteur seacutepareacutes par un milieu de propagation Pourconclure des exemples preacutesenteacutes sous forme dun tableau illustrent que le choix dunechaicircne de transmission de linformation est justieacute par les proprieacuteteacutes rechercheacutees pour latransmission

B Seacuteance 2 La conversion analogique-numeacuterique (AE 2h)

MANIP voir page 518 du Hachette et voir aussi page 186 du Bellier et page522 du Nathan

Quels sont les paramegravetres agrave xer pour que la numeacuterisation dun signal soit correcte

Lobjectif est de reconnaicirctre des signaux de nature analogique et des signaux de na-ture numeacuterique Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un eacutechantillonneur-bloqueur etou un convertisseur analogique numeacuterique (CAN) pour eacutetudier linuence desdieacuterents paramegravetres sur la numeacuterisation dun signal (dorigine sonore par exemple)

La seacuteance se divise en deux parties Une premiegravere partie concernant leacutechantillonnage du signal Pour cela on peut dabordbrancher un GBF analogique relieacute au CAN (carte dacquisition SYSAM-SP5) puison utilise une guitare+HP dont le son est enregistreacute avec un capteur de son relieacute agravela carte dacquisition Quand la peacuteriode deacutechantillonnage augmente le son restitueacuteapregraves numeacuterisation est hacheacuteLATIS PRO enregistrement EA0LATIS PRO sortie active EAO Ampl et HP brancheacutee en SA1Voir plus dinfo page 523-524 du Hachette

Une seconde partie concernant linuence de la reacutesolution Avec carte dacquisitionSYSAM-SP5 jouer sur le calibre plage de mesure (-10V +10V et -02V +02V)Avec le CAN CNA Jeulin jouer avec le nombre de bits (Q)Quand le pas est petit meilleure qualiteacute du signal numeacuterique Deacutenir ainsi le pas

p =plage de mesure

C Seacuteance 3 La transmission dun onde EM agrave travers le cacircblecoaxial (AE 1h)

MANIP page 528 du Nathan

Le but de cette seacuteance est de mettre en divideuvre un dispositif de transmission de donneacutees(cacircble bre optique) Eacutevaluer laaiblissement dun signal agrave laide du coecient datteacute-nuation A faire agrave la maison apregraves la seacuteance

Leacutetude dun signal reacuteeacutechi en bout de cacircble coaxial permet de mettre en eacutevidencelatteacutenuation dans le cas dune propagation guideacutee et de deacuteterminer le coecient datteacute-nuation du cacircble pour le signal consideacutereacute Leacutelegraveve est ensuite inviteacute agrave sinterroger sur des

propagations sur de plus longues distances

Probleacutematique peut-on utiliser un cacircble coaxial pour transmettre un signal audio surune longue distance

Pour cela les eacutelegraveves ont besoin dun GBF reacutegleacute pour obtenir des impulsions de dureacutee05 micros se reacutepeacutetant toutes les 5 micros un cacircble coaxial de 100 m et un osciloscope numeacuterique

Ils pourront calculer la vitesse de propagation de londe v = 2L∆t et deacuteduire lindicedu milieu n = vcLe signal reacuteeacutechi possegravede une amplitude plus petite que celle du signal eacutemis agrave cause dupheacutenomegravene daaiblissement du signal au cours de sa transmissionOn observe eacutegalement que la forme des impulsions est modieacutee (pheacutenomegravene de dispersion)Le calcul du coecient datteacutenuation est deacuteni comme (page 548 du Hachette)

α =10

en dBm

Ils devront conclure que latteacutenuation reste faible pour une propagation dune centainede megravetres dans un cacircble coaxial Pour une propagation sur un kilomegravetre latteacutenuationque subit le signal est dix fois plus grande et peut devenir trop importante pour certainesapplications En pratique on peut utiliser des reacutepeacuteteurs an de reacutegeacuteneacuterer le signal

D Seacuteance 4 La transmission dune onde lumineuse agrave travers unebre optique (AE eacutevalueacutee)

MANIP voir page 544 du Hachette et page 507 du Bordas et page 528 duNathan

Le deacuteploiement de la bre constitue une prioriteacute nationale inteacutegreacutee au sein du PlanFrance Tregraves Haut Deacutebit quen est-il de la couverture reacuteelle en 2018 comment trans-mettre un message vocal par la bre optique

Lobjectif ici est de mettre en divideuvre un dispositif de transmission de donneacutees (cacircblebre optique) Eacutevaluer laaiblissement dun signal agrave laide du coecient datteacutenuation et Mettre en divideuvre un protocole expeacuterimental utilisant un laser comme outil dinvestigationou pour transmettre de linformation

Les eacutelegraveves devront eacutemettre un son qui sera enregistrer par un micro puis il devront 1 Veacuterication de la peacuteriode identique de leacutemetteur et du reacutecepteur On peut calculerla freacutequence du signal en sortie pour voir si la freacutequence est dans la gamme desfreacutequence sonore (entre 20hz et 20kHz)

2 Mise en eacutevidence de latteacutenuation du signal par comparaison de laaiblissement delintensiteacute lumineuse suivant la longueur de la bre optique utiliseacutee

3 Mise en eacutevidence du retard entre les deux signaux inuence de la longueur de labre

4 Calcul de la vitesse de propagation du signal dans la bre optique

La propagation de la lumiegravere se produit gracircce agrave la reacuteexion totale de la lumiegravere agravelinteacuterieur de la breLes deux signaux obtenus ont la mecircme allure (une leacutegegravere deacuteformation est possible) maisnont pas la mecircme amplitude et sont deacutecaleacutes Ils ne sont donc pas superposablesLe deacutecalage dans le temps entre le signal de deacutepart et le signal agrave larriveacutee correspond autemps mis par le signal pour parcourir la bre optique

Rq Infos sur la bre voir page 13 du Bellier optique

MSP 16 - Caracteacuteristiques des ondesProprieacuteteacutes des ondes eet Doppler

Niveau Terminale S

Thegraveme Observer - Caracteacuteristiques et proprieacuteteacutes des ondes

Bulletin Ociel bull Deacutenir une onde progressive agrave une dimensionbull Connaitre et exploiter la relation entre retard distance et vitesse de propagation(ceacuteleacuteriteacute)bull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetudier qualitativement et quanti-tativement un pheacutenomegravene de propagation dune ondebull Deacutenir pour une onde progressive sinusoiumldale la peacuteriode la freacutequence et la longueurdondebull Connaitre et exploiter la relation entre la peacuteriode ou la freacutequence la longueur dondeet la ceacuteleacuteriteacutebull Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour deacuteterminer la peacuteriode la freacutequence lalongueur donde et la ceacuteleacuteriteacute dune onde progressive sinusoiumldalebull Reacutealiser lanalyser spectrale dun son musical et lexploiter pour en caracteacuteriser lahauteur et le timbrebull Mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale pour mesurer une vitesse en utilisantleet Dopplerbull Exploiter lexpression du deacutecalage Doppler de la freacutequence dans le cas des faiblesvitessesbull Utiliser des donneacutees spectrales et un logiciel de traitement dimages pour illustrerlutilisation de leet Doppler comme moyen dinvestigation en astrophysique

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan Physique-Chimie Tle S (2012) Bordas Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Onde meacutecanique Ondes EM

Contexte Les ondes nous entourent certaines sont visibles agrave la surface de leau dautresnous permettent de recevoir de linformation (radio) Quelles sont les caracteacuteristiques etles proprieacuteteacutes de ces ondes

Beaucoup de seacuteances expeacuterimentales choisir celles preacutesenteacutees agrave loral

Cette leccedilon est apregraves ondes et particules et preacutecegravede analyse spectrale

A Seacuteance 1 Ondes progressives agrave une dimension (AD 1h00)

Le but de cette seacuteance est de deacutenir une onde progressive agrave une dimension Connaicirctreet exploiter la relation entre retard distance et vitesse de propagation (ceacuteleacuteriteacute) Prati-quer une deacutemarche expeacuterimentale visant agrave eacutetudier qualitativement et quantitativementun pheacutenomegravene de propagation dune onde

Pour cela les eacutelegraveves ont agrave leur disposition une cameacutera qui leur permettront de lmerla propagation dune onde le long dune corde ou dun ressort (Mode SCN HS 100imsconversion de la videacuteo en avi avec uncompressed avi exploiter le lm avec Atelier scien-tique (eacutetalonner et traitement image) A partir de leur enregistrement ils devront deacuteter-miner la vitesse de propagation de londe

A la n de cette seacuteance ils sauront ce quest une onde longitudinale et transversale

B Seacuteance 2 Caracteacuteristiques dune onde progressive peacuteriodique(AE (1h)

Le but de cette seacuteance est de deacutenir pour une onde progressive sinusoiumldale la peacuteriodela freacutequence et la longueur donde Connaicirctre et exploiter la relation entre la peacuteriode ou lafreacutequence la longueur donde et la ceacuteleacuteriteacute Pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pourdeacuteterminer la peacuteriode la freacutequence la longueur donde et la ceacuteleacuteriteacute dune onde progres-sive sinusoiumldale

Durant cette seacuteance les eacutelegraveves vont avoir agrave leur disposition un GBF 40kHz avec unoscilloscope et reacutecepteureacutemetteur ultrasons Ils devront dans un premier temps mesurerla peacuteriode dune onde ultra-sonore et la longueur donde (avec calcul derreur) doublepeacuteriodiciteacute temporelle et spatialeDans un second temps ils vont devoir deacuteterminer la ceacuteleacuteriteacute des ondes ultra-sonores

A la n de cette seacuteance ils auront compris comme se caracteacuterise une onde agrave traversune freacutequence et une longueur donde et comme le mesurer

C Seacuteance 3 Acoustique musicale (AE 1h)

MANIP voir page 40 du Hachette et page 235 du Bellier eacutelec pour cours

Le but ici est de reacutealiser lanalyse spectrale dun son musical et lexploiter pour encaracteacuteriser la hauteur et le timbre

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir enregistrer le son (La=440 Hz) de dieacuterents instru-ments tels que le diapason ucircte ou piano avec un micro relieacute agrave Latis Pro A partir du

signal ils pourront eacutetudier le caractegravere sinusoiumldale de londe en essayant de la modeacuteliserDans un second temps ils feront la transformeacutee de Fourier du signal pour avoir une repreacute-sentation freacutequentielle du signal (analyse spectrale) pour deacutenir freacutequences fondamentaleset harmoniques Ils comprendront alors ce que repreacutesente la notion de timbre et de hau-teur dun son

Rq Critegravere de Shannon page 188 du Bellier Elec

D Seacuteance 4 Mesure de la vitesse par eet Doppler (AE 2h)

Lobjectif de cette seacuteance est de mettre en divideuvre une deacutemarche expeacuterimentale pourmesurer une vitesse en utilisant leet Doppler Exploiter lexpression du deacutecalage Dop-pler de la freacutequence dans le cas des faibles vitesses (Contextualiser avec le radar)

Pour cela les eacutetudiants ont agrave leur disposition Latis Pro le rail un GBF et un oscillo-scope Dans un premier temps il faut veacuterier quagrave larrecirct on a bien la freacutequence que lonenvoi (freacutequence choisi pour que les capteurs soit en reacutesonance vers 25kHZ) Il faut aussiessayer de mesurer la vitesse du train (v = dt) Puis il faut penser a regarder lamplitudedu signal reccedilu pour le deacuteclenchement en front descendant ou montant (asymp 200mV )Les eacutelegraveves devront alors agrave partir des freacutequences mesureacutees deacuteterminer la vitesse du mobileet comparer cette valeur avec celle mesureacute directement

ve = c|fR minus fE|

Rq Deacutemonstration formule Doppler

Soit une ambulance (eacutemetteur) qui se deacuteplace agrave la vitesse vE (vitesse de lambulance)en direction dun reacutecepteur xe Elle eacutemet des ondes de peacuteriode TELa 1er peacuteriode de londe est eacutemise agrave la date t1 = 0 lambulance est agrave la distance D dureacutecepteur (a) Cette onde parcourt cette distance agrave la vitesse c le reacutecepteur la reccediloit agrave ladate t2 = Dc (b)La 2eme peacuteriode de londe est eacutemise agrave la date t3 = TE lambulance ayant parcouru ladistance vE times TE depuis la date t = 0 elle se trouve agrave D minus vE times TE du reacutecepteur (c)Londe parcourt cette distance pendant la dureacutee (D minus vETE)c donc le reacutecepteur lareccediloit agrave la date t4 = TE + (D minus vETE)cPour le reacutecepteur la peacuteriode est alors

TR = t4 minus t3 = TE +D minus vETE

cminus D

(1minus vE

Londe perccedilue par le reacutecepteur peut aussi ecirctre caracteacuteriseacutee par sa freacutequence fR

1(1minus vE

) = fE1(

1minus vEc

) = fEc

cminus vE(3)

Si la source seacuteloigne du reacutecepteur xe le raisonnement est identique il sut de remplacerdans les expressions preacuteceacutedentes vE par minusvE

TR= fE

c+ vE(4)

E Seacuteance 5 Eet Doppler appliqueacute agrave lastrophysique (AD 1h)

voir page 66 du Hachette page 73 du Bordas et page 56 du Nathan

Lobjectif ici est d utiliser des donneacutees spectrales et un logiciel de traitement dimagespour illustrer lutilisation de leet Doppler comme moyen dinvestigation en astrophy-sique

Les eacutelegraveves devront agrave partir dun document et de donneacutees expeacuterimentales essayer decomprendre comment on peut mesurer la vitesse radiale dun astre agrave partir de son prol

spectral (httpatlasobs-hpfrelodiefEcgin=e500ampc=iampz=s1d|vsampo=elodie199610030017)

v = c|λspectre minus λref |

λref(5)

avec λref = 6562 6A

On peut ameacuteliorer cette preacutecision en identiant plusieurs raies et en eectuant unemoyenne agrave partir des valeurs calculeacutees

A la n de cette seacuteance les eacutelegraveves auront compris comment leet Doppler pouvait ecirctreutiliser dans le domaine de lastrophysique

MSP 17 - Instrument de musique

Niveau Terminale S speacute

Thegraveme Son et musique

Bulletin Ociel bull Instruments agrave cordes agrave vent et agrave percussionbull Instruments eacutelectroniquesbull Acoustique musical gammes harmoniesbull Traitement du son

Bibliographie Physique-Chimie Tle S Speacute (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S Speacute (2012) Nathan Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Cycle 4 Ondes sonores T f (lieacutee agrave la note de musique) risques auditifs 2nd Ondes ultra-sonores c T f mesure de distances appliqueacute agrave leacutechographie TS f = cλ = cT analyse spectrale hauteur et timbre dun son niveau dintensiteacute sonoreeet Doppler

Contexte Cest le premier module du thegraveme son et musique mais les eacutelegraveves ont eacutetudieacutelonguement les ondes en enseignement speacutecique On va appliquer ces connaissances pourreacutepondre aux questions Comment un instrument peut-il jouer dieacuterents sons Pourquoicertains sons nous paraissent harmonieux

A Seacuteance 1 La musique est une science (AD 30min)

Lobjectif de cette seacuteance est de rappeler quune note de musique correspond agrave unefreacutequence en musique notion de gammes comprendre que lharmonie des sons est matheacute-matique

Dans un premier temps le prof propose des accords ou suite de 3 notes et demanderaux eacutelegraveves de calculer si cest harmonieux Veacuterier en jouant les sons au piano Harmo-nieux DO MI SOL DO FA LA Non-harmonieux FA LA SI MI FA DO

Un son harmonieux est constitueacute de notes dont les rapports de freacutequences sont simplesPar exemple lorsque le rapport de freacutequences entre deux notes est eacutegal agrave deux la combi-

naison de ces notes est agreacuteable agrave loreille

La musique peut ecirctre consideacutereacutee comme une discipline scientique car les notes sontcaracteacuteriseacutees par leurs freacutequences Les freacutequences des notes de la gamme tempeacutereacutee ou dela gamme de Pythagore sont calculeacutees les unes par rapport aux autres De mecircme un sonharmonieux est constitueacute de notes dont les rapports de freacutequences sont simples (octavequinte tierce etc)

B Seacuteance 2 Comme fonctionne une guitare (AE 2h)

MANIP voir page 93 du Hachette et doc 3 page 91 du Hachette page 66 duNathan et page 392 du Bellier Optique

Lobjectif de cette seacuteance est de comprendre dougrave viennent les dieacuterentes notes pro-duites par un instrument agrave cordes

Pour cela la seacuteance est diviseacutee en deux parties 1 Excitation dune corde par une force eacutelectromagneacutetique Jouer une note agrave la guitare en grattant une corde meacutetallique Enregistrer cette note au micro et reacutealiser lanalyse (trans Fourier) avec LatisPro

En deacuteduire la freacutequence fondamentale (82Hz) et le(s) harmonique(s) (82 x2 = 164Hz)

Exciter la corde avec une force eacutelectromagneacutetique (cf montage) Faire varier la freacutequence jusquagrave ce quun son soit audible on retrouve 82Hz (etles harmoniques en deacuteplaccedilant laimant)

Les eacutelegraveves comprendront ainsi que lorsquune corde est gratteacutee une vibration estproduite Elle possegravede une freacutequence fondamentale la hauteur et des harmoniques le timbre qui sont des multiples de la fondamentale

2 Les dieacuterentes notes Deacutemarche dinvestigation pour comprendre les paramegravetresinuenccedilant la freacutequence de vibration fondamentale dune corde de guitare La cordede la guitare sera modeacuteliseacutee par la corde de Melde et on eacutetudiera ν la masse lineacuteiquede la corde (gm) T la tension de la corde (N) et l la longueur de la corde (m)

Les eacutelegraveves comprendront que pour jouer une note dieacuterente il faut changer de corde(ν dieacuterente) ou appuyer sur une frette (ce qui raccourcit la corde) Tourner les cleacutes(modier T ) sert agrave accorder la guitare

C Seacuteance 3 Comment fonctionne un instrument agrave vent (RPeacutevalueacutee)

Lobjectif est de comprendre le fonctionnement dun instrument agrave ventgamme

Reacuteponses La freacutequence du son musical joueacute deacutepend de la longueur de la colonne dair Dans un clai-ron cette longueur nest pas modiable On ne devrait pouvoir jouer quune seule note defreacutequence f1 = 131Hz Cette note est en fait dicile agrave obtenir En jouant sur la tensiondes legravevres on peut obtenir plus facilement les deux harmoniques suivants de freacutequencesf2 = 2f1 = 262Hz et f3 = 3f1 = 393Hz Avec un clairon on peut donc jouer deux notesun Do3 de freacutequence f2 = 262Hz et un Sol3 de freacutequence f3 asymp 392HzEn revanche gracircce aux pistons et aux coulisses la longueur de la colonne dair est mo-diable dans une trompette En appuyant sur un piston de la trompette on augmentela longueur de la colonne dair cette augmentation neacutetant pas la mecircme dun piston agravelautre Il existe donc 8 longueurs de la colonne dair preacutesenteacutees dans le tableau ci-dessous(on note 1 lorsque le piston est enfonceacute et 0 lorsquil est releveacute)

Lorsque lon joue un Sol3 avec une trompette la longueur totale de la colonne dair(de lembouchure au pavillon) a pour expression L = LSol3 = v(2fSol3) Lorsque lon joueun Fa3

LFa3 =v

=LfSol3fFa3

349L = 1 12L = Lcoul2 + L (1)

La deuxiegraveme coulisse doit avoir une longueur eacutegale agrave Lcoul2 = 0 12L soit 12 de lalongueur totale L de la trompetteLorsque lon joue un Mi3

Lmi3 =v

=LfSol3fMi3

330L = 1 19L = Lcoul3 + L (2)

La troisiegraveme coulisse doit avoir une longueur eacutegale agrave Lcoul3 = 0 19L soit 19 de lalongueur totale L de la trompette

Rq les longueurs relatives sont en accord avec la photographie de la trompette la 3ecoulisse est plus longue que la 2e La note eacutemise en appuyant sur le 3e piston est plusgrave que celle eacutemise en appuyant sur le 2e piston car la colonne dair est plus longue

D Seacuteance 4 Jouer un son eacutelectronique (AE 2h)

MANIP voir page 96 du Hachette et page 97 B du Hachette et page 92 duBellier eacutelec

Lobjectif de cette seacuteance est de preacutesenter les instruments eacutelectronique et comment esttraiteacute le son

Cette seacuteance est diviseacutee en deux parties 1 Syntheacutetiser un son avec un ordinateur Enregistrer une note joueacutee par un instrument au choix Analyser le son trans Fourier pour voir la fondamentale (f) et les harmonique(2f 3f ) + amplitude (A)

Recreacuteer ce son cest une somme de fonction cos f(t) = A cos(ωt) et ω = 2πf Pour reproduire un son il faut eacutemettre son fondamental ainsi que ses harmoniquesen respectant lamplitude respective de chacun Pour se rapprocher dun son natureleacutemis par un instrument il faut eacutegalement ecirctre capable de tenir compte de variationsde niveaux sonores il faut reproduire lattaque les transitoires entre dieacuterentesnotes etc Il faut donc modeacuteliser les gestes et le soue du musicien On utilise icila synthegravese par modegraveles physiques qui est beaucoup plus complexe agrave reacutealiser

2 Creacuteer un son avec un circuit RLC Choisir le couple L C tel que la freacutequence des oscillations correspondent agrave la notesouhaiteacute f0 = 1(2π

radicLC)

Reacutealiser le montage et tester le son produit Mesurer la freacutequence et calculer lincertitudeLes tensions T et T0 sont mesureacutees agrave laide dun oscilloscope ou dun systegraveme dac-quisition Si on utilise un oscilloscope les incertitudes U(T ) et U(T0) sont dues agraveune double lecture et deacutependent des graduations de leacutecran de loscilloscope (voirche 3 p 199 du manuel)Si on utilise une acquisition informatiseacutee la lecture dune peacuteriode agrave leacutecran en zoo-mant sur la zone agrave analyser peut ecirctre tregraves preacutecise On peut donc consideacuterer quelincertitude lieacutee agrave la lecture est principalement due agrave la peacuteriode deacutechantillonnageTe de lacquisition on prendra comme incertitude de simple lecture Ulecture = TeLexpression de lincertitude de double lecture sur la peacuteriode seacutecrit

U(T 20 ) =

radic2Te (3)

alors U(f0) =radic

2TeT20 Pour veacuterier que f0 est eacutegale agrave f il faut que les domaines

des freacutequences [f0 minus U(f0) f0 + U(f0)] et [f minus U(f) f + U(f)] aient des valeurscommunesUn instrument eacutelectronique reproduit un son musical en creacuteant un signal eacutelectriquede mecircme freacutequence que celle du son

E Seacuteance 5 Traitement du son (DM eacutevalueacute)

voir page 99 A du Hachette

Leacutelegraveve devra ainsi pour les traitements de son les plus courants expliquer quelle(s)grandeur(s) physique(s) est modieacutee Il devra preacutesenter le compte rendu sous forme deposter scientique illustreacute (compeacutetence COM)

MSP 18 - Rotation dun solide

Niveau Terminale STI2D et STL

Thegraveme Transport

Bulletin Ociel bull Identier inventorier caracteacuteriser et modeacuteliser les actions meacutecaniques sexerccedilantsur un solidebull Associer une variation deacutenergie cineacutetique dune force ou dun couplebull Relier lacceacuteleacuteration agrave la valeur de la reacutesultante des forces exteacuterieures ou au momentdu couple reacutesultant dans le cas dun mouvement uniformeacutement acceacuteleacutereacutebull Eacutecrire et exploiter lexpression dune force constante ou dun couple de momentconstantbull Associer la force de reacutesistance aeacuterodynamique agrave une force de frottement uide pro-portionnelle agrave la vitesse au carreacute et aux paramegravetres geacuteomeacutetriques dun objet endeacuteplacement

Bibliographie Physique-Chimie Tle STL-STI2D Hachette Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod Expeacuterience de Meacutecanique Quaranta Pierron

Preacute-requis 1egravere STI2D Vitesse angulaire θ = ωt et v = Rω Moment dinertie dunsolide par rapport agrave un axe J deacutepend de la forme et de la masse du solide Eacutenergiecineacutetique dun solide en mouvement de rotation Ec = (12)Jω2

Contexte Ce thegraveme permet de mettre en place les outils neacutecessaires agrave leacutetude du mouve-ment dun systegraveme deacutetudier dieacuterents types de motorisation (thermique et eacutelectrique)ainsi que des dispositifs de seacutecuriteacute et dassistance au deacuteplacement Moteur roues mo-trices Comparaison moteur diesel et essence

A Seacuteance 1 Eet dune force sur la rotation dun solide (AE)

voir page 313 et 318 du Bellier

Lobjectif de la seacuteance est didentier inventorier caracteacuteriser et modeacuteliser les actionsmeacutecaniques (forces moment de force) sexerccedilant sur un solide

La seacuteance se deacutecoupe en deux parties 1 Introduction au moment dune force avec la fermeture dune porte ou bien avec unetige perceacutee de plusieurs trous Les eacutelegraveves devront voir que selon la position du pointdapplication de la force il faudra varier lintensiteacute de celle ci pour avoir le mecircme

eet sur le mouvement De maniegravere naturelle on applique la force dans un planperpendiculaire agrave laxe de rotation Les eacutelegraveves abordent ainsi la notion de momentM dune force F et limportance du bras de levier pour soulever des charges

2 Conditions pour ne pas avoir de rotation pour une seul force les eacutelegraveves doiventdeacuteterminer les conditions pour lesquels en appliquant une force il ny aucun eet Ilsagit de trouver force nulle force parallegravele agrave laxe point dapplication de la forcesur laxe de rotation direction de la force passant par laxe

B Seacuteance 2 Eet dun couple de forces sur la rotation dun solide(AE)

voir page 95 du Hachette et page 188 du Quaranta

Lobjectif de la seacuteance est didentier inventorier caracteacuteriser et modeacuteliser les actionsmeacutecaniques (couples et moment dun couple) sexerccedilant sur un solideLes eacutelegraveves vont pouvoir deacutenir le couple de force avec le volant de la voitureDurant la seacuteance ils vont devoir rechercher des masses agrave suspendre pour avoir un objeten eacutequilibre pour dieacuterent point dapplication de ces deux forcesPour chaque position ils doivent deacuteterminer le moment de chaque force M = F middot d ettracer M(F1) en fonction de M(F2) pour retrouver une pente de 1

Ils devront ainsi comprendre quun objet mobile autour dun axe de rotation est eneacutequilibre sil est soumis agrave des forces dont les moments par rapport agrave laxe de rotation secompensent (Theacuteoregraveme des moments)

C Seacuteance 3 Solide en rotation autour dun axe xe et soumis agraveune force de moment constant (AE)

Voir page 322 du Bellier

Lobjectif est dassocier une variation deacutenergie cineacutetique au travail dune force ou duncouple WAB = ∆Ec relier lacceacuteleacuteration agrave la valeur de la reacutesultante des forces exteacuterieuresou au moment du couple reacutesultant dans le cas dun mouvement uniformeacutement acceacuteleacutereacute M = Jθ eacutecrire et exploiter lexpression du travail dune force constante ou dun couplede moment constant W = Mθ

Le montage agrave utiliser est celui composeacute de deux masselottes et une masse qui chute +photo-reacutesistance + oscillo + geacuteneacuterateur + reacutesistance 1kΩ

Les eacutelegraveves vont devoir 1 Veacuterier la nature du mouvement circulaire uniformeacutement acceacuteleacutereacute en traquantθ = f(t2) on donne θ = (12)θt2

2 Deacuteterminer le moment du couple et le moment dinertie M = T middotr avec T = mg etr le rayon du mobile On calcule J = Mθ Et on veacuterier la relation J = (12)mr2

3 Calculer le travail dun couple de moment constant W = Mθ4 Veacuterier le theacuteoregraveme de leacutenergie cineacutetique WAB = ∆Ec

Rq Manip alternative page 94 du Hachette

D Seacuteance 4 Puissance moyenne et couple de force (AD)

Beaucoup de personnes se demandent sil vaut mieux avoir un veacutehicule qui a du coupleou de la puissance que leur reacutepondre (Couple et puissance sont lieacutes )

Lobjectif de la seacuteance est comparer puissance moyenne et moment dun couple Puissance =Travail∆t=Coupletimes Vitesse de rotation avec W = Mθ

La valeur dune puissance maximale est toujours donneacutee pour un certain reacutegime mo-teur de mecircme pour le coupleDans une voiture le reacutegime change tout le temps ce qui donne lieu aux courbes de puis-sance et de couple

Le moteur essence permet une conduite plus sportive car il faut acceacuteleacuterer davantagepour avoir de la puissance Faible couple agrave bas reacutegimeEn revanche le diesel ore un couple plus important agrave bas reacutegime mais ce dernier se limiteagrave une petite plage Cela signie que lon a de la puissance sans avoir besoin de monterhaut dans les tours

Cest pour cela que les camions tournent au diesel car le couple arrive fort dans undiesel au deacutetriment de sa vitesse de reacutevolution (reacutegime moteur maxi bien moins eacuteleveacute) Ilfaut en eet pouvoir avancer malgreacute une remorque tregraves lourde sans avoir agrave faire gronderle moteur ce qui serait le cas avec une

Rq On pourrai aussi utiliser le mateacuteriel Jeulin pour eacutetudier la puissance eacutelectrique et lecouple en fonction de la vitesse de rotation

E Seacuteance 5 Chute dune bille dans lair (AE)

Le but de la seacuteance est dobserver la chute dune bille dans lair et de voir la relationreliant lacceacuteleacuteration et le carreacute de la vitesse lineacuteaire

Pour cela on prend les positions de la balle au cours du temps On calcule avec Latispro la vitesse et lacceacuteleacuteration et on trace a en fonction de v2 on voit que lon a uncomportement lineacuteaire de pente neacutegatif cest normal car la force de frottement sopposeau mouvement On doit trouver comme origine agrave labscisse une valeur pas loin de la valeurde g car on ne prend en compte que ces deux forces

On peut relier cela avec la consommation de carburant dun veacutehicule selon son aeacuterody-namisme la consommation de carburant croicirct rapidement avec la vitesse Les construc-teurs cherchent agrave diminuer le coecient de frottement via la forme de la voiture

MSP 19 - Les uides dans lhabitat

Thegraveme Habitat

Bulletin Ociel bull Mesurer des pressions (absolue et relative)bull Citer et exploiter le principe fondamental de lhydrostatiquebull Expliciter la notion de vitesse moyenne deacutecoulement dans une canalisationbull Mesurer un deacutebitbull Citer et appliquer la loi de conservation de la massebull Dieacuterencier les dieacuterentes transformations liquide-vapeur pour leau eacutevaporationeacutebullitionbull Associer un changement deacutetat au niveau macroscopique agrave leacutetablissement ou larupture dinteractions entre entiteacutes au niveau microscopiquebull Utiliser un diagramme deacutetat (P T) pour deacuteterminer leacutetat dun uide lors dunetransformationbull Utiliser lenthalpie de changement deacutetat pour eectuer un bilan eacutenergeacutetique

Bibliographie Physique-Chimie Tle STL-STI2D Hachette Physique-Chimie Tle STL-STI2D Nathan Expeacuteriences de physique - Elec (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Cycle 4 actions meacutecanique force agrave distance force action contact conser-vation de leacutenergie 2nd pression gaz dun uide inuence de la profondeur 1er STI2D eacutenergie puissance forme deacutenergie thermique preacutesente dans lhabitat Ec Ep Em

Contexte Comment fonctionne les systegravemes dans nos habitats canalisations climati-sation PAC

A Seacuteance 1 Variation de pression dans une colonne deau (AE)

Quelle est la dieacuterence de pression qui existe entre le 3eme eacutetage et le rez de chausseacuteedans un immeuble

Lobjectif est de mesurer des pressions (absolue et relative) et citer et exploiter leprincipe fondamental de lhydrostatique

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mesurer la pression (avec un manomegravetre) pour dansune colonne remplie deau pour dieacuterente profondeurA laide dExcel ils vont devoir tracer leacutevolution de la dieacuterence de pression entre lapression atm et la pression dans le tube en fonction de la profondeur

B Seacuteance 2 Mesure du deacutebit et de vitesse deacutecoulement (AE)

Voir page 22 du Hachette et page 31 du Nathan

Lobjectif est de mesurer un deacutebit et citerappliquer la loi de conservation de la masse

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir mesurer un deacutebit volumique de vidange dune colonnedeauDans un premier temps ils vont devoir deacuteterminer la dieacuterence de pression entre le hautdu tube et le bas du tube en utilisant la loi de lhydrostatiquePuis ils vont remplir la colonne deau et verser le contenu dans une autre colonne desection dieacuterente Au moment de la vidange ils doivent lancer le chronomegravetre pour estimerle temps de vidange du volume deauIls doivent reacutepeacuteter lopeacuteration pour dautre volume initial deau et remplir le tableausuivant

Volume V Dureacutee t ∆h Deacutebit Q = Vt Vitesse v = ht Produit vS

bull bull bull bull bull bullbull bull bull bull bull bullbull bull bull bull bull bull

Ils doivent conclure que le deacutebit volumique peut seacutecrire Q = v middot S

On peut eacutegalement faire un suivie de hauteur en introduisant une regravegle dans les deuxcolonnes En ayant la vitesse pour les deux colonnes et en multipliant par leur sectionrespective on peut comparer les deux deacutebits et conclure

C Seacuteance 3 Bioclimatisation et pompe agrave chaleur (AD)

Lobjectif de la seacuteance est de se familiariser avec lutilisation de dispositif pour chauf-fer ou refroidir lhabitat en utilisant le changement deacutetat et dieacuterencier les dieacuterentestransformations liquide-vapeur pour leau

D Seacuteance 4 Mesure de lenthalpie de fusion de leau (AE)

Voir Bellier Elect

Lobjectif est de mesurer lenthalpie de fusion de leau

Pour cela les eacutelegraveves vont avoir agrave leur disposition un calorimegravetre de leau des glaccedilonsune balance et un thermomegravetre

Ainsi ils doivent dans un premier temps mesurer la capaciteacute calorique du calorimegravetreC ils mettent de une masse m1 deau froide agrave linteacuterieur et une masse m2 deau chaudeEn faisant un bilan deacutenergie et en supposant le calorimegravetre isoleacute on a

(C +m1ceau)(Tf minus T 1i ) +m2ceau(Tf minus T 2

i ) = 0 (1)

Puis ils vont devoir prendre un glaccedilon quils auront au preacutealable mouilleacute essuyeacute puis peseacute(on aura Tg = 273K) Proceacutedant de la mecircme maniegravere eau agrave tempeacuterature ambiante peseacuteeen faisant un bilan eacutenergeacutetique (formulation donneacutee et explication de chaque terme)

(C +m1ceau)(Tf minus T 1i ) +mgceau(Tf minus Tg) +mgLf = 0 (2)

Ils doivent trouver Lf en Jkg (theacuteorique 333 kJkg) et conclure

E Seacuteance 5 Eacutebullition de leau sous pression reacuteduite (AE+AD)

Le but de cette seacuteance est dutiliser le diagramme deacutetat (PT) pour deacuteterminer leacutetatdun uide lors dune transformation

Les eacutelegraveves vont devoir se documenter sur le changement deacutetat de leau et ses conditionsLe prof va faire la manip de leacutebullition de leau sous vide et les eacutelegraveves vont devoir releverla pression et tempeacuterature lors de leacutebullition pour dieacuterente tempeacuterature initiale de leauIls vont ensuite tracer Teb en fonction de la pression et essayer de reacutepondre aux questionsdu livre

MSP 20 - Structure dune ondeeacutelectromagneacutetique Ondes polariseacutees ounon polariseacutees Polariseur analyseur

Niveau Terminale STL-SPCL

Thegraveme Des ondes pour mesurer

Bulletin Ociel bull Produire et analyser une lumiegravere polariseacuteebull Associer la polarisation dune onde eacutelectromagneacutetique agrave la direction du champ eacutelec-triquebull Deacuteterminer une concentration agrave partir de la mesure de la deacuteviation du plan depolarisation de la lumiegravere dans une solution

Bibliographie Site SPCL Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis Partie les ondes qui nous environnement Notion de reacutesonance Propagationdune perturbation dans un milieu eacutelastique Ondes progressives sinusoiumldales Mesurer Diraction Interfeacuterences dieacuterence de marche entre deux chemins

Contexte la polarisation sera revue en Term dans la partie Utiliser leacutenergie trans-porteacutee par les ondes Les lunettes aux verres polariseacutes les lms en 3D au cineacutema sont des situations courantesougrave lon rencontre les ondes polariseacutees Quelles sont les situations ougrave ces ondes servent agravemesurer

Cette leccedilon vient apregraves reacutefraction reacutefraction limite et reacuteexion totale diusion et preacutecegravedela diraction

A Seacuteance 1 Les lunettes aux verres polariseacutes (AD)

Les opticiens proposent des lunettes aux verres polariseacutes Quelles sont leurs proprieacuteteacutespar rapport agrave des lunettes classiques

Lobjectif de la seacuteance est dassocier la polarisation dune onde EM agrave la direction duchamp eacutelectrique

Pour cela les eacutelegraveves vont avoir agrave disposition un ensemble de document concernant ladescription de londe EM et sur le principe de la polarisation rectiligne dune onde EMrarr Application aux lunettes de soleil

En plus de cela le prof pour simuler le fonctionnement des lunettes va proceacuteder agrave unemanip pour cela on va placer une lumiegravere blanche - trou - prismecylindre (pour faireleet dune vitre) - polariseur et eacutecran En tournant le polariseur on supprime la reacuteexionde la vitre et on obtient limage du trou (agrave lincidence de Brewster)

B Seacuteance 2 Production dune lumiegravere polariseacutee (AE)

Lobjectif est de produire et analyser une lumiegravere polariseacutee et de veacuterier la loi de Malus

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir proceacuteder agrave deux expeacuteriences 1 Expeacuterience avec un seul polariseur ils ont agrave disposition une lumiegravere blanche unpolariseur et un eacutecran Ils doivent constater que sachant que la lumiegravere na pas depolarisation particuliegravere alors on nobserve aucune chute dintensiteacute lumineuse surleacutecran

2 Expeacuterience avec deux polariseurs ils ont agrave disposition une lumiegravere blanche unpolariseur un analyseur et un eacutecranluxmegravetre Ils doivent observer que lintensiteacutelumineuse sur leacutecran est moduleacutee Ainsi ils vont devoir pour dieacuterent angle mesureacutelintensiteacute lumineuse an de retrouver la loi de Malus (Excel)

I = I0 cos2 α (1)

C Seacuteance 3 Veacuterication de la loi de Biot (Deacutemarche inves-tigation)

Lobjectif de la seacuteance est de deacuteterminer une concentration agrave partir de la mesure dela deacuteviation du plan de polarisation de la lumiegravere dans une solution

Pour cela les eacutelegraveves doivent proposer une deacutemarche expeacuterimentale pour veacuterier laloi de Biot avec une gamme de solution de concentration connues en glucose parexemple (01gml 02 03 04 05)

Ils doivent tracer α en fonction de cm et retrouver un comportement lineacuteaire

α = [α0]`cm (2)

avec ` la longueur de la cuve [α0] le pouvoir rotatoire speacutecique qui deacutepend lui-mecircme de la tempeacuterature de la longueur donde utiliseacutee et du solvant notamment(on donne souvent dans les tables ce pouvoir rotatoire speacutecique agrave 20 C et cm laconcentration en gmL

On dit dextrogyre pour α gt 0 (droite) et levrogyre pour α lt 0 (gauche)

D Seacuteance 4 Deacutetermination de la concentration massique ensaccharose dans le sirop contre la toux (AE eacutevalueacutee)

Le laboratoire controcircle qualiteacute de lentreprise pharmaceutique veacuterie la concentra-tion en saccharose dans le sirop contre la toux par la technique de polarimeacutetrie

Lobjectif est de deacuteterminer une concentration agrave partir de la mesure de la deacuteviationdu plan de polarisation de la lumiegravere dans une solution

Probleacutematique Quelle est la concentration massique en saccharose dans le siropcontre la toux

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir SAPP et REA reacutealiser un protocole REA prendre les mesures + calcul incertitude (indiquer que lincertitude relativesur la mesure est de 4)

VAL valider la teneur en saccharose avec leacutetiquette COM reacutediger un court paragraphe pour reacutepondre agrave la probleacutematique

MSP 21 - Utiliser leacutenergie transporteacuteepar les ondes Interfeacuterences

constructives et destructives Ondesstationnaires Caviteacute reacutesonnante modes

propres

Thegraveme Des ondes pour agir

Bulletin Ociel bull Exprimer et exploiter une dieacuterence de marche pour en deacuteduire les conditions dob-tention dinterfeacuterences constructives ou dinterfeacuterences destructivesbull Mettre en eacutevidence expeacuterimentalement le pheacutenomegravene dinterfeacuterence pour dieacuterentstypes dondes sonores lumineuses meacutecaniquesbull Distinguer les ondes stationnaires des ondes progressivesbull Interpreacuteter le pheacutenomegravene dondes stationnaires en termes dinterfeacuterencesbull Relier les freacutequences de reacutesonance des ondes stationnaires unidimensionnelles agrave lalongueur dune caviteacute

Bibliographie Physique-Chimie Tle S (2012) Durupthy Hachette Physique-Chimie Tle S (2012) Nathan Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod

Contexte Cette partie reacuteinvestit les connaissances sur les interfeacuterences abordeacutees dansla partie mesurer et les exploite pour introduire la notion donde stationnaire Onessaye de trouver des exemples ougrave les interfeacuterences sont exploiteacutees dans des cas concrets(casque anti bruit lecture disque optique)

Cette leccedilon vient apregraves grandeurs radiomeacutetriques-laser et preacutecegravede la polarisation

A Seacuteance 1 Mise en eacutevidence du pheacutenomegravene pour dieacuterentstypes donde (AE eacutevalueacutee)

voir page 88 du Hachette et Nathan page 90

Lobjectif est dexprimer et exploiter une dieacuterence de marche pour en deacuteduire lesconditions dobtention dinterfeacuterences constructives ou dinterfeacuterences destructives Mettreen eacutevidence expeacuterimentalement le pheacutenomegravene dinterfeacuterence pour dieacuterents types dondes sonores lumineuses meacutecaniques

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir pratiquer trois manipulations Ondes meacutecaniques Leacutelegraveve fait une manip pour illustrer ce pheacutenomegravene on prendune cuve agrave onde et on procegravede agrave linterfeacuterence entre deux ondes

Ondes lumineuses (avec document explicatif) leacutelegraveve va proceacuteder agrave deux eacutetudes 1 Une premiegravere qualitative ougrave il va pouvoir observer des franges dinterfeacuterences avecdeux fentes deacutenir la notion dinterfrange et de coheacuterence (cas de deux lasers)

2 Une deuxiegraveme quantitative ougrave il va faire les paramegravetres expeacuterimentaux tel quea λ et D pour trouver la relation i = λDa utile si lon veut deacutenir la longueurdonde dun laser

Ondes sonores principe du casque anti-bruit actif

Les eacutelegraveves vont eacutetudier le trombone de Koening pour mettre en eacutevidence le pheacuteno-megravene dinterfeacuterence Deacutemarche dinvestigation Comment creacuteer un casque anti-bruitactif Le principe du casque repose sur un micro qui capte le son ambiant et un haut-parleur (ou oreillette) qui produit le mecircme son mais en opposition de phase Unepuce eacutelectronique est lagrave pour calculer lopposition de phase et le bon niveau debruit agrave envoyer A partir des longueur donde agrave la reacutesonance mesureacutee (L = λ2) etconnaissant la freacutequence correspondante on peut calculer la ceacuteleacuteriteacute du son c = λf

Rq Trombone de Koenig

Cet appareil est constitueacute par 2 tubes coudeacutes Le tube A est xe et le tube B peutcoulisser agrave linteacuterieur de ASur le tube A deux ouvertures permettent de positionner un haut-parleur et un microrelieacute agrave un oscilloscopeLe haut-parleur geacutenegravere un son sinusoiumldal de freacutequence f agrave linteacuterieur de lappareilA laide dune regravegle gradueacutee on mesure le deacuteplacement L du tube coulissant BLorsque L = 0 la distance du haut-parleur au micro est la mecircme par les tubes A ou BLors de laugmentation de la longueur L lamplitude du signal perccedilu par le micro passepar des maximums et des minimums dintensiteacute sonore

B Seacuteance 2 Les ondes stationnaires (AE)

MANIP voir page 392 du Bellier

Lobjectif est de distinguer les ondes stationnaires des ondes progressives Interpreacuteterle pheacutenomegravene dondes stationnaires en termes dinterfeacuterences Relier les freacutequences de reacute-sonance des ondes stationnaires unidimensionnelles agrave la longueur dune caviteacute

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir comparer une corde classique et corde de MeldeDans un premier temps on peut proposer une animation (voir acadeacutemie de Nantes) etlaisser le dispositif de la corde de Melde aux eacutelegraveves pour quils puissent mettre en eacutevidenceles ndivideuds ventres et modes propres et les relier agrave L et f

Londe stationnaire peut ecirctre interpreacuteteacutee comme le reacutesultat de linterfeacuterence construc-tive entre une onde incidente et une onde reacuteeacutechie Mecircme sans le traiter formellement oninforme les eacutelegraveves sur le fait que les reacuteexions sont multiples ce qui explique que linter-feacuterence si elle nest pas constructive empecircche londe de se propager dans la caviteacute Dougravelexistence des modes propres

C Seacuteance 3 Diapason du La 440 Hz (AE)

Cette seacuteance peut se poser commet eacutetant la reacutesolution dun problegraveme quelle est lacaviteacute reacutesonante adapteacutee au diapason

Lobjectif est de relier les freacutequences des ondes stationnaires unidimensionnelles agrave lalongueur dune caviteacute

On donnera aux eacutelegraveves lexpression de λ en fonction de la longueur donde de la caviteacute(libre agrave une extreacutemiteacute) Loptimale = λ4 (pour eacuteviter interfeacuterence destructive)On peut proposer dieacuterente caviteacute et agrave eux de deviner par lexpeacuterience et le calcul laquelleest la mieux adapteacutee

Pour aller + loin Inuence de la caisse de reacutesonance de dieacuterents instruments sur unmecircme son

MSP 22 - Observer voir plus loin

Thegraveme Des ondes pour observer et mesurer

Bulletin Ociel bull Extraire dune documentation les caracteacuteristiques utiles dun appareil commercialpour son choix ou sa mise en divideuvrebull Reacutealiser et exploiter le traceacute dun faisceau de lumiegravere pour deacutecrire le principe defonctionnement du teacutelescopebull Illustrer expeacuterimentalement le principe dun teacutelescope et deacuteterminer ses caracteacuteris-tiquesbull Deacuteterminer expeacuterimentalement quelques caracteacuteristiques dun appareil commercialbull Montrer expeacuterimentalement les eets limitatifs de lobjectif et de loculaire sur lechamp de luminositeacute dun teacutelescope

Preacute-requis 1 stl-spcl le thegraveme image traite loptique geacuteomeacutetrique (divideil reacuteduit len-tille relation de conjugaison grandissement) et numeacuterique T stl-spcl le pheacutenomegravenede diraction a eacuteteacute mis en eacutevidence mais pas encore exploiteacute de maniegravere quantitativeObjectif oculaire grossissement (appliqueacute au microscope)

Contexte Comment observe-t-on le ciel aujourdhui Quels sont les teacutelescopes du futur

Cette leccedilon est apregraves celle concernant voir plus grand (microscope) et preacutecegravede des ondespour mesurer

A Seacuteance 1 Le principe des miroirs (AE)

Voir seacutequence 7 activiteacute 3 et Bellier page 78

Le but de cette seacuteance est de familiariser et dapprendre les notions concernant lesmiroirs aux eacutelegraveves

Pour cela ils auront agrave leur disposition plusieurs miroirs des concaves et plan et ilsvont

Observer ce quil voit avec ces deux types de miroirs et tracer les chemins optiques

Mesurer la distance focale dun miroir concave en utilisant un banc optique

B Seacuteance 2 Le teacutelescope (AE+RP)

voir seacutequence 7 activiteacute 1Lobjectif ici est de comprendre le fonctionnement et la composition dun teacutelescope

commercial

Pour cela les eacutelegraveves vont devoir reacutepondre agrave dieacuterente type de questions Quels types dobjet peut on voir avec cet appareil De quoi est il constitueacute Scheacutematiser le tube dun teacutelescope

C Seacuteance 3 Reproduction du teacutelescope (AE)

voir Seacutequence 7 activiteacute 4

Lobjectif de cette seacuteance est de deacutecouvrir le teacutelescope et les eacuteleacutements qui le com-posent (miroir spheacuterique miroir plan) et de tracer le chemin de la lumiegravere pour deacutecrire lefonctionnement du teacutelescope + grossissement

Pour cela les eacutelegraveves auront agrave leur disposition un teacutelescope de Newton pour la classe etun banc optique par groupe

Les eacutelegraveves devront 1 Repeacuterer les dieacuterents eacuteleacutements du teacutelescope et leacutegender le scheacutema2 Manipuler les miroirs plan et spheacuterique pour comprendre leur fonctionnement Deacute-terminer la focale dun miroir spheacuterique

3 Construire un teacutelescope sur le banc optique Simuler une eacutetoile agrave linni et lobserver4 Tracer le chemin optique de la lumiegravere en utilisant le scheacutema

5 Repeacuterer les angles θ et θprime et rappeler lexpression du grossissement6 Proposer une maniegravere daugmenter le grossissement (diminuer la focale de loculaireou augmenter la focale du miroir)

7 Tester la solution sur le banc optique puis veacuterier sur le teacutelescope de la classe8 Deacutecrire leet sur le champ de vision (il diminue) et la luminositeacute de limage9 A partir de la notice du teacutelescope de la classe calculer le grossissement maximalpossible

Rq Voir activiteacute J pour avoir la deacutemo du grossissement

D Seacuteance 4 Les teacutelescopes les plus puissants actuels et en construc-tion (AD)

Lobjectif est de connaicirctre les eets limitant lobservation spatiale

A travers une eacutetude documentaire les eacutelegraveves vont devoir Comprendre la volonteacute de construire des miroirs plus grands eacuteviter la diractionet augmenter la luminositeacute

Comprendre la volonteacute denvoyer les teacutelescopes en orbite latmosphegravere terrestreabsorbe dans lIR

Rq On pourra eacutegalement parler du pouvoir seacuteparateur pour pouvoir observer deuxeacutetoiles cocircte agrave cocircte

MSP 23 - Systegraveme oscillants enmeacutecanique et en eacutelectriciteacute Exemplesdans dieacuterents domaines de freacutequencesAnalogies eacutelectromeacutecaniques Aspects

eacutenergeacutetiques eets dissipatifs amortissement

Thegraveme Les ondes qui nous environnent

Bulletin Ociel bull Caracteacuteriser la reacuteponse temporelle de dieacuterents systegravemes physiques soumis agrave uneperturbation en utilisant les capteurs approprieacutesbull Identier la ou les grandeur(s) vibratoire(s)bull Qualier les oscillations libres dun syst oscillations pseudo-peacuteriodiques quasi-sinusoiumldales amortiesbull Modeacuteliser analytiquement agrave partir denregistrements les reacuteponses correspondantsaux dieacuterents reacutegimes doscillations dun systegraveme agrave un degreacute de liberteacute harmoniqueapeacuteriodique pseudo-peacuteriodiquebull Comparer deux oscillateurs dans deux domaines dieacuterents de la physique indiquerles analogiesbull Identier les formes deacutenergie mises en jeu dans un pheacutenomegravene oscillatoire en meacute-canique et en eacutelectriciteacute

Bibliographie Site SPCL Expeacuteriences de physique - Eacutelectriciteacute (4ed) Bellier Dunod Physique-Chimie Tle S (2012) Hachette

Preacute-requis

Contexte Comment deacutenir un systegraveme qui oscille Pourquoi dans certain cas la oscil-lations samortissent

A Seacuteance 1 Fonctionnement du sismographe (AD)

Voir activiteacute 1 seacutequence 2

Des sismomegravetres connecteacutes en reacuteseau couvrent toute la surface du globe Ces ins-truments enregistrent les vibrations de la croute terrestre causeacutees principalement par lestremblements de terre Comment fonctionne cet instrument Lobjectif de cette activiteacute est de reacutealiser une maquette de cet instrument an den com-prendre le fonctionnement

A laide de document et videacuteo les eacutelegraveves vont deacutecouvrir le lien du sismographe avec lesondes et son fonctionnement (pheacutenomegravene dinduction)

B Seacuteance 2 Eacutetude des oscillations libres dun pendule (AE)

Lobjectif ici est de pratiquer une deacutemarche expeacuterimentale pour eacutetudier leacutevolution deseacutenergies cineacutetique potentielle et meacutecanique dun oscillateur et mettre en eacutevidence leetdissipatifamortissement + voir la notion doscillation peacuteriodique et pseudo peacuteriodique

Rq Script Latis Pro

C Seacuteance 3 Le circuit RLC (AE)

Voir seacutequence 1 activiteacute 4 ou voir Bellier

Lobjectif de cette seacuteance est deacutetudier le pheacutenomegravene doscillation en eacutelectriciteacute et lepheacutenomegravene damortissement On fera lanalogie avec la meacutecanique et on discernera lordrede grandeur des freacutequences utiliseacutes dans ce domaine de la physique vis agrave vis de la meacuteca-nique + voir la notion doscillation apeacuteriodique

Les eacutelegraveves vont devoir reacutealiser un circuit RLC

A laide de Latis Pro ils vont devoir eacutetudier la tension aux bornes du condensateurune fois que linterrupteur 1 est ouvert et le 2 fermeacute on voit apparaitre des oscillationsamortis Les eacutelegraveves vont devoir faire le lien avec la meacutecaniquePuis ils vont devoir calculer la variation de leacutenergie stockeacutee par la bobine et celle stockeacuteepar le condensateur (formulation donneacutee)

Ebob =1

2L(uRR

)2Econd =

Etot = Ebob + Econd

Ils vont eacutegalement pouvoir faire varier les valeurs de la reacutesistances pour augmenter oudiminuer lamortissement pour essayer de voir une oscillation apeacuteriodique (amortissementfort)

Finalement ils pourront faire lauto entretien des oscillations en ajoutant un dispositifagrave reacutesistance neacutegative et eacutetudier la conservation de leacutenergie

MSP 24 - Oscillation forceacutees Notionsde reacutesonance

Thegraveme Des ondes qui nous entourent

Bulletin Ociel bull Caracteacuteriser la reacuteponse temporelle de dieacuterents systegravemes physiques soumis agrave uneperturbation en utilisant les capteurs approprieacutesbull Identier la ou les grandeur(s) vibratoire(s)bull Qualier les oscillations libres dun syst oscillations pseudo-peacuteriodiques quasi-sinusoiumldales amortiesbull Modeacuteliser analytiquement agrave partir denregistrements les reacuteponses correspondantsaux dieacuterents reacutegimes doscillations dun systegraveme agrave un degreacute de liberteacute harmoniqueapeacuteriodique pseudo-peacuteriodiquebull Comparer deux oscillateurs dans deux domaines dieacuterents de la physique indiquerles analogiesbull Identier les formes deacutenergie mises en jeu dans un pheacutenomegravene oscillatoire en meacute-canique et en eacutelectriciteacutebull Mettre en eacutevidence expeacuterimentalement un pheacutenomegravene de reacutesonance en eacutelectriciteacuteet en meacutecanique mesurer une freacutequence de reacutesonance et deacuteterminer un facteur dequaliteacutebull Analyser le rocircle dun dispositif dentretien doscillationsbull Visualiser et exploiter le spectre en amplitude dun signal temporel repreacutesentatifdoscillations en reacutegime permanent

Bibliographie Site SPCL Expeacuteriences de physique - Optique (4ed) Bellier Dunod Expeacuteriences de physique - Elec (4ed) Bellier Dunod

Preacute-requis

Contexte Comment se fait il que pour certaine freacutequence dexcitation une corde nevibre pas Comment expliquer la catastrophe du ponte de Tacoma

A Seacuteance 1 Introduction agrave la vibration et oscillation aux quoti-diens (AD)

Introduction documentaire proposeacutee aux eacutelegraveves pour comprendre quel type donde onpeut avoir autour de nous la nature de ces vibrations la grandeur etc

B Seacuteance 2 Fonctionnement du sismographe (AD)

C Seacuteance 3 Loscillateur amorti (AE)

Dans cette seacuteance les eacutelegraveves vont eacutetudier le comportement dun oscillateur amortie ils vont eacutetudier les mouvements de loscillateur et par essayer de comprendre ce questun oscillateur amortie agrave travers une eacutetude eacutenergeacutetique On donnera leacutenergie eacutelastique duressort (12kx2)

D Seacuteance 4 Le diapason eacutelectronique (AE)

La 1egravere corde dune guitare (celle qui joue la note la plus aiguumle agrave vide) est censeacuteeproduire un Midont la freacutequence vaut 330 Hz On se propose ici de reacutealiser un diapasoneacutelectronique cest-agrave-dire un haut-parleur alimenteacute par un circuit conccedilu pour produire unsignal agrave la bonne freacutequence

Le protocole agrave suivre est donneacute Attention les deux interrupteurs ne doivent jamais ecirctre fermeacutes tous les deux

Fermer linterrupteur 1 et laisser linterrupteur 2 ouvert attendre quelques secondes Tregraves rapidement ouvrir linterrupteur 1 et fermer linterrupteur 2 La tension aux bornes du condensateur en theacuteorie est alors sinusoiumldale et de freacute-quence f = 1(2π

radicLC

La seacuteance se divise en quatre parties Premiegravere tentative branchement du haut parleur et essai Interpreacutetation dun eacutechec acquisition du signal aux bornes du condensateur Reacutegimepseudo peacuteriodique

Eacutetude eacutenergeacutetique du circuit

Leacutenergie stockeacutee par la bobine (uR eacutetant la tension aux bornes du conducteurohmique) Ebob = (12)L(uRR)2 Leacutenergie stockeacutee par le condensateur vaut (uCeacutetant la tension aux bornes du condensateur) Ebob = (12)Cu2C (Formules donneacutees)Deacutenir le facteur de qualiteacute Leacutenergie totale deacutecroicirct au cours du temps cette eacutenergieeacutetant progressivement dissipeacutee par eet joules dans la reacutesistance (donner la formulede leet Joule)

Seconde tentative cette fois on reprend le scheacutema initiale mais on ajoute un dispo-sitif dentretien des oscillations Reacutegime peacuteriodique Comparaison avec la situationde la seacuteance preacuteceacutedent sur loscillateur amorti

E Seacuteance 5 Le pont de Tacoma (AE)

Voir page 392 du Bellier Meca

Le Tacoma Narrows Bridge traduit le plus souvent par pont de Tacoma ou pontdu deacutetroit de Tacoma est un pont suspendu qui franchit Tacoma Narrows (le deacutetroitde Tacoma) un reacutetreacutecissement du Puget Sound Il relie les villes de Tacoma et Gig Har-bor dans lEacutetat de Washington aux Eacutetats-Unis Le premier pont inaugureacute le 1er juillet1940 sest eondreacute le 7 novembre 1940 constituant un des plus ceacutelegravebres accidents de geacute-nie civil Le deuxiegraveme pont ouvert en 1950 est toujours en service Il a eacuteteacute doubleacute en 2007

Le travail consiste dans un premier temps agrave la visualisation dune videacuteo an de pro-poser des hypothegraveses sur la catastrophe du ponte de Tacoma

La deuxiegraveme partie consiste agrave reacutealiser un modegravele simple de la catastrophe avec ledispositif de la corde de Melde et dun stroboscopeLe but est de comprendre ce quest le pheacutenomegravene de reacutesonance

F Seacuteance 6 Amplier la note Mi (AE)

Voir page 102 du Bellier Elec

Pour accorder leur guitare les musiciens utilisent souvent des accordeurs eacutelectroniquesCeux-ci mesurent la freacutequence du son et la comparent agrave celle voulue Mais an de ne pasecirctre perturbeacute par le bruit ambiant ni par les autres notes de musique eacuteventuelles ils sontmunis dun circuit qui seacutelectionne la note agrave analyser On se xe pour objectif dans cetteactiviteacute de concevoir le circuit permettant de seacutelectionner la note Mi(de freacutequence 330Hz) Le circuit envisageacute est le circuit suivant(le haut-parleur na pas dinteacuterecirct au sein dunveacuteritable accordeur nous lutilisons an de percevoir les conseacutequences de notre circuit)

On procegravede agrave une oscillation forceacute charge et deacutecharge du condensateur agrave laide duGBF Introduction du facteur de qualiteacute

On fera des mesures de Q pour dieacuterente valeur de R voir sa deacutependance en R (Q =Lω0R)

MSP 01 - La pression

Seacuteance 1 Pression et force pressante (AE)

Seacuteance 2 Pression dans un liquide au repos (AE)

Seacuteance 3 La surpression pulmonaire (AE+AD)

Seacuteance 4 La solubiliteacute des gaz dans les liquides (AE+AD)


Seacuteance 1 Mise en eacutevidence et explication du pheacutenomegravene de reacutefraction (AD+manip prof)

Seacuteance 2 Reacutefraction de la lumiegravere (AE)

Seacuteance 3 Dispersion de la lumiegravere blanche (AE+AD)

Seacuteance 4 Lumiegravere des eacutetoiles (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 5 Analyse de la lumiegravere dune eacutetoile (ADRP eacutevalueacutee)

MSP 03 - Couleur vision et image Loeil lentille mince convergente fonctionnements compareacutes de loeil et dun appareil photographique

Seacuteance 1 Modeacutelisation de lœil (AD)

Seacuteance 2 Relation pour une lentille convergente (AE)

Seacuteance 3 Deacutefauts et accommodation de loeil (AD+AE)

Seacuteance 4 Lœil et lappareil photographique (AE)

MSP 04 - Leacutenergie sa conservation et ses transferts

Seacuteance 1 Conservation de leacutenergie (AD 1h)

Seacuteance 2 Conservation agrave travers leacutenergie thermique (AE 1h)

Seacuteance 3 La chute de la balle (AE 2h)

Seacuteance 4 Le pendule (Devoir maison)

MSP 05 - Convertir leacutenergie et eacuteconomiser les ressources Production de leacutenergie eacutelectrique puissance Conversion deacutenergie dans un geacuteneacuterateur un reacutecepteur Loi dOhm Effet Joule Notion de rendement de conversion

Seacuteance 1 Rappels sur les lois de leacutelectriciteacute (AE 1h)

Seacuteance 2 Les lampes basses consommations (AD)

Seacuteance 3 Caracteacuteristique dun geacuteneacuterateur (AE 1h30)

Seacuteance 4 Caracteacuteristique dun reacutecepteur et mise en eacutevidence de leffet Joule (AE 1H)

MSP 06 - Gestion de leacutenergie dans lhabitat Eacutenergie interne tempeacuterature Capaciteacute thermique massique Transfert thermique Flux thermique

Seacuteance 1 La mesure de tempeacuterature (AD)

Seacuteance 2 Variations deacutenergie interne et de tempeacuterature (AE)

Seacuteance 3 Deacutetermination de la capaciteacute thermique de laluminium (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 4 Diffeacuterents modes de transferts thermiques (AE)

Seacuteance 5 Les transferts thermiques dans lhabitat (RP)

MSP 07 - Ondes sonores et ultra-sonores propagation

Seacuteance 1 Quelles sont les caracteacuteristiques dune onde ultra-sonore (AE)

Seacuteance 2 Deacutetermination de la ceacuteleacuteriteacute (AE)

Seacuteance 3 Fabrication dun eacutechographe (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 4 Les ultrasons dans le domaine meacutedical (AD)

MSP 08 - Appareil photographique numeacuterique

Seacuteance 1 Lœil et lappareil photo (AD+AE)

Seacuteance 2 Mise au point ouverture et temps de pose (AD+AE)

Seacuteance 3 Angle de champ grandissement grossissement (AE)

MSP 09 - Photographie numeacuterique photo-deacutetecteur

Seacuteance 1 Le chemin de la photo et image numeacuterique (AD+AE)

Seacuteance 2 Fonctionnement du capteur CCD (AD+AE)

Seacuteance 3 Sur quels critegraveres choisir un appareil photo (AE+AD)

MSP 10 - Mesure du temps et oscillateur amortissement

Seacuteance 1 Le pendule pour mesurer le temps (AE 1h30)

Devoir Maison Le pendule de Huygens

Seacuteance 2 Eacutetude eacutenergeacutetique des oscillations libres dun pendule (AE eacutevalueacutee 1h30)

Seacuteance 3 La quecircte de la preacutecision (AD + )

MSP 11 - Temps cineacutematique et dynamique newtonienne

Seacuteance 1 Eacutetude des mouvement rectilignes (AE 1h30)

Seacuteance 2 Eacutetude de mouvement circulaire (AD+ 1h)

Seacuteance 3 Propulsion et quantiteacute de mouvement (AE 1h)

Seacuteance 4 Eacutetude du mouvement de la chute dune balle (AE 2h)

Seacuteance 5 La spectomeacutetrie de masse (ExerciceAD 1h)

MSP 12 - Proprieacuteteacutes des ondes interfeacuterences et image numeacuterique stockage optique

Seacuteance 1 Interfeacuterence en lumiegravere monochromatique (AE 2h00)

Seacuteance 2 Eacutetude dune figure dinterfeacuterences agrave laide dune image numeacuterique (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 3 Deacutetermination du pas du sillon dun CDDVD (AE 1h)

Seacuteance 4 Lecture dun disque optique (AD)

MSP 13 - Proprieacuteteacutes des ondes diffraction et image numeacuterique stockage optique


Seacuteance 2 Eacutetude dune figure de diffraction agrave laide dune image numeacuterique (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 3 Stockage optique et ses limites (AD)


MSP 14 - Eacutenergie matiegravere et rayonnement transferts quantiques deacutenergie et proceacutedeacutes physiques de transmission

Seacuteance 1 Fonctionnement dun laser (AD)

Seacuteance 2 Transmission de linformation par un laser (AE)

Seacuteance 3 Transmissions par ondes hertziennes (AE)

Seacuteance 4 La fibre optique (AD+AE)

Seacuteance 5 Signal analogique ou numeacuterique (AD+AE)

MSP 15 - Transmettre et stocker de linformation Signal analogique et signal numeacuterique Proceacutedeacutes physique de transmission

Seacuteance 1 Les diffeacuterents types de transmissions de linformation (AD 1h00)

Seacuteance 2 La conversion analogique-numeacuterique (AE 2h)

Seacuteance 3 La transmission dun onde EM agrave travers le cacircble coaxial (AE 1h)

Seacuteance 4 La transmission dune onde lumineuse agrave travers une fibre optique (AE eacutevalueacutee)

MSP 16 - Caracteacuteristiques des ondes Proprieacuteteacutes des ondes effet Doppler

Seacuteance 1 Ondes progressives agrave une dimension (AD 1h00)

Seacuteance 2 Caracteacuteristiques dune onde progressive peacuteriodique (AE (1h)

Seacuteance 3 Acoustique musicale (AE 1h)

Seacuteance 4 Mesure de la vitesse par effet Doppler (AE 2h)

Seacuteance 5 Effet Doppler appliqueacute agrave lastrophysique (AD 1h)


Seacuteance 1 La musique est une science (AD 30min)

Seacuteance 2 Comme fonctionne une guitare (AE 2h)

Seacuteance 3 Comment fonctionne un instrument agrave vent (RP eacutevalueacutee)

Seacuteance 4 Jouer un son eacutelectronique (AE 2h)

Seacuteance 5 Traitement du son (DM eacutevalueacute)


Seacuteance 1 Effet dune force sur la rotation dun solide (AE)

Seacuteance 2 Effet dun couple de forces sur la rotation dun solide (AE)

Seacuteance 3 Solide en rotation autour dun axe fixe et soumis agrave une force de moment constant (AE)

Seacuteance 4 Puissance moyenne et couple de force (AD)

Seacuteance 5 Chute dune bille dans lair (AE)

MSP 19 - Les fluides dans lhabitat

Seacuteance 1 Variation de pression dans une colonne deau (AE)

Seacuteance 2 Mesure du deacutebit et de vitesse deacutecoulement (AE)

Seacuteance 3 Bioclimatisation et pompe agrave chaleur (AD)

Seacuteance 4 Mesure de lenthalpie de fusion de leau (AE)

Seacuteance 5 Eacutebullition de leau sous pression reacuteduite (AE+AD)

MSP 20 - Structure dune onde eacutelectromagneacutetique Ondes polariseacutees ou non polariseacutees Polariseur analyseur

Seacuteance 1 Les lunettes aux verres polariseacutes (AD)

Seacuteance 2 Production dune lumiegravere polariseacutee (AE)

Seacuteance 3 Veacuterification de la loi de Biot (Deacutemarche investigation)

Seacuteance 4 Deacutetermination de la concentration massique en saccharose dans le sirop contre la toux (AE eacutevalueacutee)

MSP 21 - Utiliser leacutenergie transporteacutee par les ondes Interfeacuterences constructives et destructives Ondes stationnaires Caviteacute reacutesonnante modes propres

Seacuteance 1 Mise en eacutevidence du pheacutenomegravene pour diffeacuterents types donde (AE eacutevalueacutee)

Seacuteance 2 Les ondes stationnaires (AE)

Seacuteance 3 Diapason du La 440 Hz (AE)


Seacuteance 1 Le principe des miroirs (AE)

Seacuteance 2 Le teacutelescope (AE+RP)

Seacuteance 3 Reproduction du teacutelescope (AE)

Seacuteance 4 Les teacutelescopes les plus puissants actuels et en construction (AD)

MSP 23 - Systegraveme oscillants en meacutecanique et en eacutelectriciteacute Exemples dans diffeacuterents domaines de freacutequences Analogies eacutelectromeacutecaniques Aspects eacutenergeacutetiques effets dissipatifs amortissement

Seacuteance 1 Fonctionnement du sismographe (AD)

Seacuteance 2 Eacutetude des oscillations libres dun pendule (AE)

Seacuteance 3 Le circuit RLC (AE)

MSP 24 - Oscillation forceacutees Notions de reacutesonance

Seacuteance 1 Introduction agrave la vibration et oscillation aux quotidiens (AD)


Seacuteance 3 Loscillateur amorti (AE)

Seacuteance 4 Le diapason eacutelectronique (AE)

Seacuteance 5 Le pont de Tacoma (AE)

Seacuteance 6 Amplifier la note Mi (AE)