Activités ondes et particules

Ondes et particules
Activité de découverte : l’Univers une source de rayonnement électromagnétique
● Document 1 : les sources de rayonnements astronomiques
Le rayonnement électromagnétique
Le Soleil, comme tous les corps célestes, émet des rayonnements
électromagnétiques (appelés aussi ondes électromagnétiques)
dans un large domaine de longueurs d’onde. Ces rayonnements
se propagent à la vitesse de la lumière, mais diffèrent par leurs
fréquences.
La lumière visible ne représente qu’une infime partie du spectre
électromagnétique.
Des rayonnements invisibles
Les objets célestes « chauds» (comme les quasars, les naines
blanches, les étoiles dites chaudes) émettent une grande part de
leur rayonnement dans le domaine de l’ultraviolet. Les objets «
froids» (comme les planètes, les étoiles jeunes, les nuages de
poussières) émettent principalement dans le domaine de
l’infrarouge.
Pendant de nombreuses années, les astronomes ont été dans l’ignorance de ces rayonnements
invisibles pour deux raisons :
- la technologie ne permettait pas de les détecter ;
- certains d’entre eux ne parviennent pas jusqu’à la surface de la Terre, car ils sont absorbés par
l’atmosphère.
Une observation difficile Les rayonnements qui traversent
l’atmosphère ont leur intensité qui
diminue, car ils sont diffusés,
essentiellement par des molécules de
gaz.
Les phénomènes d’absorption et de
diffusion se cumulent ; leur résultante est
appelée « extinction atmosphérique ».
Elle est d’autant plus marquée que
l’épaisseur de la couche atmosphérique
traversée est importante.
De plus, des turbulences
atmosphériques limitent la résolution
des télescopes situés à la surface de la
Terre : au cours de l’observation, les
images obtenues paraissent
tremblotantes. Pour limiter l’impact de
ces deux facteurs, on construit des observatoires en altitude, où la
couche atmosphérique traversée est moins épaisse et où l’air est plus stable.
On dispose également de télescopes spatiaux (comme Hubble, lancé en 1990) qui ont l’avantage
de pouvoir étudier des objets beaucoup moins lumineux que ceux étudiés au sol. On peut citer
également le télescope Herschel, lancé en 2009, doit permettre de mieux comprendre la
naissance des étoiles.
Cette image du Soleil a été
créée à partir d’observations
dans l’ultraviolet par le
Satellite SOHO en 1998.
Le VLT, situé au Ch
ili, à 2600
m d’altitude, bénéficie de
conditions optimales pour
l’observation céleste.
Le satellite Herschel
détecte le rayonnement
infrarouge :
60 µm – 670 µm
1
ACTIVITES

Vocabulaire
Quasar : objet céleste très lumineux et très éloigné de la Terre, émettant des ondes radio (quasi
stellar radio source).
Naine blanche : objet céleste très dense et très lumineux correspondant à l’un des stades de la fin
de vie de certaines étoiles.
● Document 2 : Spectre des domaines des rayonnements électromagnétiques
● Document 3 : Spectre d’absorption des rayonnements par l’atmosphère terrestre en
fonction de leur longueur d’onde.
● Document 4 : Spectre d’absorption des rayonnements par différents gaz de l’atmosphère.
1- Compléter le document 2 en donnant le nom des différents domaines manquants notés 1, 2 et
3. Justifier alors la phrase du document 1 : « La lumière visible ne représente qu’une infime
partie du spectre électromagnétique. »
2- Pour quels types de rayonnement du spectre électromagnétique, l’observation au sol est-elle
possible ?
3- En astronomie, le domaine le plus favorable à la détection d’exoplanètes est l’infrarouge
moyen (autour de 10 µm). L’observation au sol dans l’infrarouge nécessite des conditions
particulières. Lesquelles ?
4- Justifier que l’Europe ait loué une concession au Chili pour l’emplacement de son télescope le
VLT.
5- Les radiotélescopes captent les ondes radio émises dans l’Univers. Pourquoi peut-on installer
des radiotélescopes au niveau de la mer ? Quelles peuvent être les sources de pollution de
ces signaux ?
6- Pourquoi la mission Herschel nécessitait la construction d’un satellite ?
7- En appliquant la loi de Wien, donner la fourchette de températures correspondant aux
rayonnements émis.
Loi de Wien : elle relie la température T d’un corps à la longueur d’onde λ
max
pour laquelle son
rayonnement est le plus intense : λ
max
.T = 2,90×10
-3
K.m avec T (en K) = 273 + θ (en °C)
8- Pourquoi est-ce que les scientifiques continuent de construire des observatoires terrestres ?
λ (m)
10
-
10
10
-
9
10
-
8
10
-
7
10
-
6
10
-
5
10
-
4
10
-
3
10
-
2
10
-
1
10
0
10
1
10
2
10
3
100
0%
Absorption par l’atmosphère
10
-
12
10
-
10
10
-
8
10
-
6
10
-
4
10
-
2
10
0
10
2
λ (m)
10
20
10
18
10
16
10
14
10
12
10
10
10
8
10
6
Rayons X
1 2 3
Infrarouges
lointains Micro-ondes Ondes radio
ν (Hz)
Rayons
gamma

Rayonnement
Utilisation et production par
l’Homme Objets célestes
Ondes radio Télécommunication Quasars, pulsars
Ultraviolets Rendre potable l’eau étoiles
Infrarouge Maintenir les plats chauds Poussières réchauffées et
naissance d’étoiles
Rayons X Radiothérapie Gaz extrêmement chauds,
pulsars, trous noirs
Rayons γ Radiothérapie Jets relativistes de particules,
trous noirs, pulsars
Document 1 : Sources de rayonnement et leurs applications
Activité expérimentale : Une sonnette est placée à l’intérieur d’une
cloche à vide. Le bruit qu’elle émet est distinct. Une pompe reliée à
la cloche permet d’en extraire pratiquement l’air qu’elle contient.
Une fois le vide réalisé, on constate que le bruit est quasiment
inaudible.
1- Pourquoi n’entend plus la sonnerie ?
2- Quelle condition est nécessaire pour qu’une onde sonore se
propage ?
Activité expérimentale : Comment se propage une onde sonore ?
On alimente un haut-parleur sur des basses fréquences (on obtient un son grave). On place une
bougie allumée devant le haut-parleur.
1- Quel est le mouvement de la membrane du haut-parleur ? Comparer avec celui de la flamme
de la bougie ?
2- Conclure sur la nature de l’onde sonore ?
Document 4 : modélisation des ondes sonores se propageant dans un milieu matériel
Direction de la
propagation de l’onde Direction de la perturbation
des molécules d’air
Compression Dilatation
Compression Direction de la
propagation de l’onde
Dilatation
Direction de la perturbation
des spires du ressort
Document 3
:
Déplacement d’une onde
longitudinale le long d’un ressort
Direction de la
perturbation
Direction de la
propagation de l’onde
Document 2 : Déplacement d’une onde
transversale le long d’une corde

Activité de découverte : Le séisme de mars 2011 au Japon
Une terrible catastrophe frappe les côtes nord-est de l’île de Honshu, au Japon. La terre
commence par trembler violemment puis un raz de marée destructeur s’abat sur les côtes
pulvérisant tout sur plusieurs kilomètres dans les terres. Le bilan est très lourd : de nombreuses
victimes et destructions sont à déplorer. La centrale nucléaire de Fukushima a subi d’énormes
dommages et des émissions radioactives commencent à s’échapper de ses flancs …
Vous disposez de divers documents concernant cette catastrophe. Vous devez sélectionner les
documents pertinents pour comprendre ce qui se passe lors d’un séisme et expliquer les dégâts
occasionnés. Vous étudierez ensuite le tsunami qui a suivi le séisme pour en expliquer la
formation et les caractéristiques. Enfin, vous utiliserez votre modèle explicatif pour prévoir l’arrivée
du tsunami sur l’île de Tahiti.
● Document 1 : Entretien avec un professeur du département de sismologie de l’Université
de Tokyo
Le journaliste : Que se passe-t-il lors d’un séisme ?
Le professeur : Lorsqu'un matériau rigide est soumis à des contraintes de cisaillement, il va
d'abord se déformer de manière élastique, puis, lorsqu'il aura atteint sa limite d'élasticité, il va se
rompre, libérant l’énergie accumulée durant la déformation. Ainsi, lors d’un séisme, c’est l’énergie
accumulée par les contraintes exercées sur la lithosphère (matériau rigide) qui est brutalement
libérée sous forme d’ondes mécaniques : des séries d’ondes successives provenant du foyer se
propagent alors dans toutes les directions à travers les matériaux constitutifs du globe. Deux types
d’ondes sismiques sont alors émis : d’abord des ondes de volumes (ondes P et S) ensuite des
ondes de surfaces (ondes R et L).
Le journaliste : Comment enregistre-t-on les ondes sismiques ?
Le professeur : Des sismomètres répartis dans des stations enregistrent les ondes sismiques. En
fait, on utilise trois sismomètres qui enregistrent en un même lieu les mouvements dans trois
directions de l’espace orthogonales : une composante verticale et deux composantes horizontales
(Est-Ouest et Nord-Sud). On obtient des sismogrammes.
Le journaliste : Vous me laissez sans voix ! Parlons maintenant du tsunami. De quoi s’agit-il ?
Le professeur : C’est une vague imperceptible en pleine mer (de 20 à 100 cm de hauteur) qui se
propage à la manière de la houle à cette différence près que la distance qui sépare deux vagues
est ici de l’ordre de 200 km environ (alors que cette distance peut atteindre 200 m pour la houle). A
l'approche des côtes, cette vague devient destructrice et déferlante. Elle peut en effet atteindre 30
m de haut sur la côte !
Le journaliste : D’où vient le terme tsunami ?
Le professeur : Du japonais tsu qui signifie « port » et de nami « vague ». Il signifie donc
littéralement « vague portuaire » du fait que la vague apparaisse comme un raz de marée sur les
côtes alors qu’elle n’est pas perceptible en pleine mer.
Le journaliste : Lorsqu’un séisme se produit en mer, se produit-il toujours un tsunami ?
Le professeur : Cela dépend. Si le séisme est profond et n’affecte que la lithosphère entrée en
subduction, il ne déforme que très peu le fond des océans et ne génère donc pas de tsunami. Par
contre, s’il s’agit d’un séisme superficiel qui affecte la croûte, il se produit une brutale modification
de la topographie du fond océanique qui génère la mise en mouvement d’un grand volume d’eau.
Une colonne d’eau s’élève alors au-dessus du niveau moyen de l’océan. Son énergie potentielle
est ensuite transférée à la propagation de l'onde du tsunami sous forme d’énergie cinétique : il se
crée ainsi une perturbation des eaux de surface, une vague qui se propage dans l'océan à très
grande vitesse. On a vu ainsi des vagues se propager à plus 900 km/h !

● Document 2 : Extrait d’un article publié sur le site de l’Institut de Physique du Globe de
Paris (IPGP)
Un séisme de très forte magnitude M
w
9 (estimée entre
8.9 et 9.1 suivant les sources) s'est produit le 11 mars
2011 à 05h46 UTC, au large de la côte est de l'île de
Honshu, dans la partie nord du Japon. C'est un des
séismes les plus puissants enregistrés depuis une
centaine d'années, et le plus fort enregistré
instrumentalement au Japon. L'épicentre est situé à
environ 400 km au nord-est de Tokyo, capitale du
Japon, et 160 km à l'est de la ville de Sendai. Le séisme
de magnitude 9 a été suivi par un nombre très important
de répliques, la plus forte atteignant la magnitude 7.1.
[…]
Dans les deux jours avant le séisme du 11 mars une
importante activité sismique avait été enregistrée dans
la zone proche de son épicentre, dont un évènement de
magnitude 7.2, que l'on peut considérer a posteriori
comme un séisme précurseur.
Ce séisme a rompu une portion de l'ordre de 500 km de
la zone de subduction plongeant sous le Japon, entre la
plaque Pacifique et la micro-plaque d'Okhotsk. […] La
rupture s'est étendue au sud jusqu'à la région de Tokyo.
Illustration : Contexte sismotectonique du séisme du 11
mars 2011. L'épicentre du choc principal est figuré par une étoile. […] Les points orangés
correspondent aux épicentres des répliques pendant les 24 h qui ont suivi le choc principal. La
sismicité dans les 2 jours avant le choc principal est figurée par les points rouges. La zone en
mauve montre l'extension approximative de la zone de rupture. Celle-ci s'est produite sur la zone
de subduction plongeant vers l'ouest sous l'île de Honshu et arrivant en surface au niveau de la
fosse du Japon.
● Document 3