SL1/ SL2/ SL3/ SL5

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Ref :
250 008
Français – p 1
Version : 0112
Mallette didactique : Optique
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SOMMAIRE
Transmission d’un signal sonore par fibre optique............................................ 2
Propriétés optiques et géométriques d'un faisceau infrarouge………………….4
Transmission optique d'un signal périodique par fibre optique………………….7
Exploitation d'un spectre à l'aide d'une fibre optique…………………………….9
Détermination de la période des vibrations d'un diapason…………………….11
Vérification expérimentale des lois de Descartes ......................................... 144
Détermination d’indice de réfraction d’une substance .................................. 166
Utilisation d'un banc à ultrasons…………………………………………………..18
FRANÇAIS
1
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Transmission d’un signal sonore par fibre optique
Objectif : Découvrir le principe de la transmission de
données utilisée par la téléphonie, permettant de
communiquer « sans délai » à des distances importantes
1 Matériel
•
Emetteur
•
Récepteur
•
Fibre
•
Alimentation continue 6,9 ou 12 V
2 Manipulation
FRANÇAIS
•
Dérouler au maximum la fibre optique : les boîtiers d'émission et de
réception sont écartés de 5 m. Mettre l'interrupteur du microphone sur
MIC et l'interrupteur de l'émetteur sur M (marche). Les 2 DEL verte et
rouge doivent s'allumer.
•
Un élève parle dans le microphone de l'émetteur (figure 12)
•
Le récepteur est placé sur une table au milieu des élèves. Le son est
parfaitement perçu si le niveau sonore (que l'on règle à l'aide du
potentiomètre situé sur le boîtier récepteur) est suffisant.
2
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3 Conclusion
Le signal sonore émis module le signal infrarouge qui se propage dans la
fibre. A la réception, le signal infrarouge est « démodulé » et le signal sonore
est alors reconstitué.
4 Variante
L’élève siffle avec régularité, le signal reçu peut être visualisé en connectant
un oscilloscope aux bornes jaune et noire du récepteur.
Cette expérience illustre donc : l’émission, la propagation d’un signal
infrarouge, la réception et la modulation.
FRANÇAIS
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Propriétés optiques et géométriques d’un faisceau
infrarouge
Objectif : Etudier la directivité d’un faisceau infrarouge et
ses propriétés
1 Expérience N°1
Propagation rectiligne d’un faisceau infrarouge
1.1 Matériel
•
Emetteur
•
Récepteur
•
Alimentation continue 6 V ou 12 V
•
Générateur de fonction (délivre une tension sinusoïdale à une
fréquence comprise entre 1000 et 2000 Hz)
On n’utilise pas la fibre optique.
1.2 Montage
FRANÇAIS
•
Placer l'émetteur et le récepteur face à face (figure 7)
•
Alimenter l'émetteur et le récepteur en 6 V ou en 12 V continu (ici 12 V
est préférable)
•
Mettre l'interrupteur situé à côté du connecteur de l'émetteur sur
marche (M), la DEL verte doit s'allumer
•
Mettre le second interrupteur, qui commande le microphone, sur EXT
(voir figure 7)
•
Brancher le générateur de fonctions entre les bornes jaune et noire
(noire à la masse du générateur de fonctions). L'amplitude du signal
sinusoïdal est de l'ordre de 1 volt.
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1.3 Manipulation
Après avoir réglé le potentiomètre du boîtier récepteur au gain maximal, on
essaie d'aligner le photorécepteur et le photoémetteur. Lorsque ceux-ci sont
parfaitement alignés, un signal sonore retentit même si l'écart entre les
connecteurs bleu et noir atteint 10 à 15 cm. Par contre, la DEL rouge ne
s'allume que pour des distances inférieures à 20 mm.
1.4 Conclusion
L'alignement critique de l'émetteur et du récepteur montre la grande directivité
du faisceau infrarouge émis. Cette expérience illustre aussi la transformation
d'un signal électrique en un signal infrarouge au niveau du boîtier émetteur, la
propagation dans l'air d’un signal infrarouge et au niveau du récepteur
l'opération inverse, qui transforme le signal infrarouge reçu en signal
acoustique émis par le haut-parleur.
2 Expérience N°2
Réflexion d’un faisceau infrarouge. Détection acoustique
On reprend l'expérience précédente mais en n'alignant plus l'émetteur et le
récepteur. Les 2 boîtiers sont séparés de quelques centimètres. On introduit
alors une lame de verre ou un petit miroir plan que l'on oriente, jusqu'à ce
qu'un signal sonore retentisse (figure 8). On peut ainsi illustrer la loi de
Descartes pour la réflexion d'une onde électromagnétique, qui n'appartient pas
au domaine visible.
FRANÇAIS
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3 Expérience N°3
Réfraction d’un faisceau infrarouge. Détection acoustique
Par rapport à la manipulation précédente, il suffit de remplacer le miroir plan
par un prisme ou un demi-cylindre en plexiglas ou en verre. L'angle au
sommet du prisme doit être de 30 ou 45° pour éviter d'obtenir trop facilement
la réflexion totale du faisceau. On oriente le prisme par petits mouvements
autour d'un axe vertical, jusqu'à ce qu'un signal sonore retentisse (figure 9).
S'il n'est guère possible de procéder à des mesures précises d’angles, on peut
tout de même montrer que la réfraction en incidence oblique correspond à une
déviation du faisceau lors d’un changement de milieu.
FRANÇAIS
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Transmission optique d’un signal périodique par
fibre optique
Objectif : Illustrer la transmission d’un signal électrique
par fibre optique
1 Matériel
•
Emetteur
•
Récepteur
•
Fibre
•
Alimentation 6, 9 ou 12 V
•
Générateur de signaux sinusoïdaux ou rectangulaires
•
Console Primo
2 Montage et manipulation
•
Régler le générateur de fonctions de manière à ce qu'il délivre un
signal sinusoïdal ou rectangulaire, d'amplitude crête à crête comprise
entre 50 et 300 mV, et de fréquence de 1 000 à 2 000 Hz.
•
Connecter le générateur de fonctions aux bornes jaune et noire de
l'émetteur (noire à la masse). Mettre l'interrupteur du microphone sur
la position EXT et l'autre interrupteur sur M. La DEL verte doit
s'allumer, la rouge aussi (signal reçu).
•
Le niveau sonore se règle avec le potentiomètre du récepteur. Il est
possible de le mettre à zéro : il ne sort aucun son.
•
Pour visualiser le signal reçu, il faut connecter le récepteur grâce aux
bornes jaune et noire sur la console Primo (sur une entrée directe de
la console ESAO Primo, douille noire du récepteur sur la masse
noire). Se reporter à la figure ci-dessous :
Vers entrée
directe de la
console Primo
FRANÇAIS
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3 Observations
•
Le signal détecté est aussi périodique, il peut être légèrement
déformé. La déformation dépend de la nature du signal (rectangulaire
ou sinusoïdal), de son amplitude, de sa fréquence (entre 10 Hz et 50
kHz) et de la valeur de la tension d’alimentation de l’émetteur et du
récepteur.
•
La fibre optique est donc traversée par un signal électromagnétique
(infrarouge) modulé par un signal périodique de nature tout à fait
différente.
En basculant rapidement à grande cadence l’interrupteur marche-arrêt situé
sur le boîtier émetteur, on crée des salves de sinusoïdes facilement audibles.
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Exploitation d’un spectre à l’aide d’une fibre optique
Objectif : Effectuer une décomposition de la lumière.
Etudier la réponse spectrale de la source de lumière utilisée
1 Matériel
•
Projecteur de diapositives
•
Fente de 1 mm de large découpée dans un carton au format 5 x 5 cm
•
Réseau à 140 traits/mm ou prisme de verre
•
Récepteur
•
Fibre
•
Alimentation 6, 9 ou 12 V continu (l’émetteur n’est pas utilisé)
•
Oscilloscope
2 Montage et expérience
FRANÇAIS
•
Alimenter le récepteur
•
Placer la fente verticale dans le projecteur de diapositives
•
Faire la mise au point de l'image de la fente sur un écran en carton
situé a 1,5 m (environ) du projecteur.
•
Fixer le réseau (traits verticaux) contre l'objectif de projection.
Plusieurs bandes colorées apparaissent; ce sont les spectres de
lumière blanche dans les différents ordres du réseau (un seul spectre
avec un prisme)
•
Déplacer l'écran de manière que les divers spectres soient coupés par
le bord supérieur de l'écran; explorer le spectre d'ordre 1 en déplaçant
tangentiellement à l'écran l'extrémité de la fibre optique (figure ciaprès)
•
Pour visualiser le signal reçu, on branchera la sortie (douilles jaune et
noire) du récepteur sur une entrée directe de la console Primo.
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3 Observation
FRANÇAIS
•
La réponse spectrale de l'ensemble : fibre optique + photorécepteur
est faible dans le bleu-violet; elle est maximale dans le rouge et
l'infrarouge.
•
Cette expérience permet de montrer qu'il existe du rayonnement en
dehors du domaine visible, au-delà du rouge : l'infrarouge.
•
L'amplitude du signal reçu est fonction de la qualité optique et de l’état
de surface de l'extrémité de la fibre. Celle-ci doit être parfaitement
polie et transparente. L'amplitude du signal dépend aussi de la
puissance lumineuse de la source de lumière blanche et de la
distance du projecteur à la fibre optique.
•
Pour augmenter le signal, on peut déconnecter la fibre, qui absorbe
tout de même une fraction du rayonnement électromagnétique, et
explorer directement le spectre avec le seul module récepteur.
•
D'autre part, avec un réseau comme système dispersif, une grande
partie de la lumière émise est perdue dans les différents ordres non
explorés par la fibre. De plus, lorsqu'on explore l’infrarouge d'ordre 1
(longueur d'onde supérieure à 800 nanomètres), celui-ci se superpose
au rayonnement violet-bleu d'ordre 2 (longueur d'onde supérieure à
400 nm). Il est donc préférable d'utiliser un prisme qui donne un seul
spectre très lumineux et évite les problèmes de chevauchement
d'ordres, mais qui a l'inconvénient de disperser davantage le bleu que
le rouge.
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Détermination de la période des vibrations d’un
diapason
Objectif : Mesurer l’onde sonore d’un diapason, déterminer
sa période et sa fréquence
1 Montage
•
Fixer sur l'une des branches du diapason le petit miroir adhésif (inutile
si le métal est suffisamment réfléchissant),
•
Diriger le faisceau du laser sur ce miroir et intercepter le faisceau
réfléchi avec la photorésistance (figure 22).
•
Raccorder la sortie du récepteur sur une entrée directe de la console
Primo.
2 Configuration
Faire glisser l’entrée directe sur l’axe des abscisses :
Configurer le temps :
FRANÇAIS
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Définir la synchronisation :
3 Manipulation
•
Frapper le diapason et déterminer sa période. En déduire la fréquence
(440 Hz pour diapason "la 3"). A noter que le signal émis par un
diapason non entretenu est pseudopériodique (et non périodique).
diapason
Figure 22 : détermination de la période des vibrations d’un diapason
4
Détermination de la période et la fréquence
Il est possible de déterminer facilement la période du signal grâce à l’atelier
scientifique.
Pour ce faire, une fois que l’acquisition aura été faite, sélectionner l’onglet
« graphique » pour faire apparaître la courbe si celle-ci n’apparaît pas.
FRANÇAIS
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Faire un bouton droit sur celle-ci et sélectionner l’outil pointeur.
Sélectionner un point d’origine de votre courbe, puis positionnez la souris
dessus en maintenant le bouton gauche de la souris appuyé, et déplacer le
pointeur vers l’extrémité désirée pour relever le ∆t, correspondant à la période
de cette courbe.
Connaissant ce ∆t, il est possible de déterminer la fréquence par la formule
F= 1 / ∆t.
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Vérification expérimentale des lois de Descartes
Objectif : Etudier les trajets de la lumière au travers de
différents milieux matériels
1 Montage
Le kit optique offre de multiples possibilités d’expérimentation. Avec les
éléments à votre disposition, vous pouvez facilement réaliser les montages cidessous :
REFRACTION
ANGLE LIMITE
REFRACTION
ABERRATION
SPHERIQUE
2 Manipulation : Miroir plan : vérification de la loi
de Descartes
Placer le miroir au centre du disque gradué de telle façon que le faisceau
arrive normalement sur la face réfléchissante. Les rayons incidents et réfléchis
forment alors un angle nul (superposition des deux faisceaux).
Le faisceau lumineux étant bien centré, faire varier l’angle d’incidence sur le
miroir en déplaçant le disque gradué à partir de sa position initiale (surface
réfléchissante normale au rayon incident).
Pour chaque position mesurer l’angle incident i et l’angle réfléchi r.
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Vérification expérimentale des lois de Descartes
Objectif : Etudier les trajets de la lumière au travers de
différents milieux matériels
1 Montage
Le kit optique offre de multiples possibilités d’expérimentation. Avec les
éléments à votre disposition, vous pouvez facilement réaliser les montages cidessous :
REFRACTION
ANGLE LIMITE
REFRACTION
ABERRATION
SPHERIQUE
2 Manipulation : Miroir plan : vérification de la loi
de Descartes
Placer le miroir au centre du disque gradué de telle façon que le faisceau
arrive normalement sur la face réfléchissante. Les rayons incidents et réfléchis
forment alors un angle nul (superposition des deux faisceaux).
Le faisceau lumineux étant bien centré, faire varier l’angle d’incidence sur le
miroir en déplaçant le disque gradué à partir de sa position initiale (surface
réfléchissante normale au rayon incident).
Pour chaque position mesurer l’angle incident i et l’angle réfléchi r.
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Détermination d’indice de réfraction d’une
substance
Objectif : Etudier le trajet de la lumière dans un milieu et à
son interface avec un autre milieu
1 Manipulation
1.1
Montage
Rayon réfracté
i2
Rayon incident
i1
Laser trait
Réf : 202 216
0
1.2 Détermination expérimentale de l’indice de
réfraction d’un liquide
Dans l’étude qui suit, le milieu 1 est l’air (n1 = 1) et le milieu 2 est le liquide
étudié.
Régler le dispositif de mesure de manière à :
-
Le rayon incident passe de l’air dans le liquide, passant par le point
central du disque (voir repère sur le disque en Annexe paragraphe 2).
-
Lire les valeurs des angles i1 et i2 puis calculer la valeur de l’indice de
réfraction n2 du liquide étudié, en utilisant la formule de la loi de SnellDescartes :
N1*sin(i1) = n2*sin(i2)
FRANÇAIS
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2 Annexe
2.1.1
2.1.2
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Utilisation d’un banc à ultrasons
Objectif : Etudier la propagation des ultrasons dans l’air,
déterminer des distances par la méthode de l’ « écho »
1 Détermination de la vitesse des ultrasons
1.1 Matériel
L'expérience nécessite tous les éléments de l'ensemble. L'émetteur et les
deux récepteurs sont disposés sur les rails : l'émetteur dans son logement de
gauche, les récepteurs A et B dans les glissières, positionnés par leur index
en face des zéros des graduations. On relie l'émetteur à l'alimentation et les
récepteurs aux entrées verticales d'un oscilloscope bicourbe (niveau sur
chaque voie : 100 mV/div et durée de balayage : 1 ms/div).
1.2 Montage
1.3 Manipulations
Dès qu'on déplace l'un des récepteurs (A par exemple, vers la droite), le signal
correspondant se déplace également vers la droite de l'axe des temps (à
condition de bien choisir la voie de synchronisation). Le récepteur déplacé A
reçoit le signal émis avec un retard t qui dépend de la distance d le séparant
du récepteur B, comme le montre le schéma ci-contre.
La mesure de la durée t sur l'écran de l'oscilloscope et de la distance d sur la
règle graduée des rails donnent une mesure directe de la vitesse du son dans
l'air : V = d/t.
La mesure de la durée t est meilleure si on choisit un point de repère anguleux
du signal de salve (comme le point M de la figure ci-contre) et si on augmente
le gain du signal correspondant au récepteur A qui s'éloigne de l'émetteur pour
compenser l'atténuation du signal dû à la distance. On peut aussi augmenter
la vitesse du balayage horizontal et choisir pour le réglage une durée plus
faible (0,5 ms/div).
FRANÇAIS
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1.4 Les résultats
Pour une mesure unique, si on lit par exemple une durée t = 1 ms (soit une
division sur l'écran avec le calibre choisi), la distance est d = 34 cm, ce qui
donne une vitesse V = 340 m.s-1.
Il est aussi possible de mesurer quelques valeurs de la durée t (en utilisant les
graduations de l'axe des temps de l'oscilloscope) et relever les valeurs des
distances d correspondantes :
t : durée (en ms)
0,2
0,4
0,6
0,8
1
d : distance (en cm)
7
14
20,5
27,5
34
Vitesse (en m/s)
350
350
341
343
340
Ce qui permet de conclure que la vitesse des ultrasons est constante.
2 Mise en évidence de la nature vibratoire d’un
ultrason
2.1 Montage
L'expérience nécessite l'émetteur et un récepteur. On relie l'émetteur à
l'alimentation et le récepteur, placé dans l'axe de l'émetteur.
2.2 Manipulation
A l'entrée verticale d'un oscilloscope (réglages de niveau : 100 mV/div et de
durée de balayage : 5 µs/div), le commutateur Marche-Arrêt est placé dans la
position Marche et l'inverseur Continu - Salve sur Continu. On ajuste le bouton
de réglage de l'émetteur pour obtenir le maximum d'amplitude du signal capté
par le récepteur.
On recueille un signal quasi sinusoïdal. La mesure de la longueur
correspondant à une période sur l'écran donne la durée de la période de
laquelle on déduit la fréquence de l'ultrason. On remarquera que le signal qui
alimente l'émetteur est rectangulaire et d'amplitude plus grande (relier la sortie
signal à la deuxième entrée verticale de l'oscilloscope, niveau : 5 V/div).
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Récepteur
Emetteur
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Pour toute question, veuillez contacter :
JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE
Rue Jacques Monod
BP 1900
27 019 EVREUX CEDEX FRANCE
0 825 563 563 *
* 0,15 € TTC/ min à partir d'un poste fixe
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