TP 01 : PROPAGATION DES ONDES HERTZIENNES OBJECTIFS : I
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Terminale S / spécialité physique C: Produire des signaux, communiquer TP 01 : PROPAGATION DES ONDES HERTZIENNES OBJECTIFS : - Savoir enregistrer expérimentalement la trajectoire d’un projectile et exploiter le document obtenu.. - Rappels : définition d’une onde ; le phénomène de diffraction ; la relation entre la longueur d'onde, la fréquence et la vitesse de propagation ; - Définir les ondes électromagnétiques et connaître quelques propriétés ; - Savoir utiliser un oscilloscope - Connaître le rôle d'une antenne émettriceet d'une antenne réceptrice; - Commencer à introduire la chaîne modulation-démodulation. I. LES ONDES HERTZIENNES A PARTIR DE L’ETUDE D’UN TEXTE Au début du 19ème siècle les bases de l'électricité et du magnétisme commençaient à être établies, en particulier pour l'électrostatique et la magnétost atique (charges électriques ou aimant immobiles). Coulomb avait énoncé sa loi relative à la force électrostatique en 1785 et on disposait de piles (Volta 1800) permettant de faire circuler des courants importants. Les phénomènes électriques et magnétiques étaient apparemment sans lien, et on pensait que les actions électriques ou magnétiques se propageaient à vitesse infinie (instantanément). Mais en 1819 Hans Oersted découvre expérimentalement l'effet magnétique créé par un courant, tandis qu'en 1837 Michael Faraday montre qu'au contraire une variation de champ magnétique peut créer un courant dans un circuit. Du côté de la théorie, c'est en 1822 qu'André -Marie Ampère publie la 1ère théorie mathématique de l'électrodynamique. Ses travaux sont poursuivis par James Clerk Maxwell qui commence ses publications en 1855. Maxwell unifie les forces électrique et magnétique et affirme la possibilité de l'existence d'une onde électromagnétique, constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique se propageant m ême dans le vide, à vitesse finie. De plus sa théorie montre que la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide, calculée à partir de constantes de l'électrostatique et de la magnétostatique déjà connues est étrangement égale à celle de la vitesse dela lumière (mesurée en 1849 par Fizeau). La nature ondulatoire de la lumière était pratiquement admise à l'époque, suite aux résultats expérimentaux de Young et de Fresnel au début du siècle. Il postule alors (1864) que la lumière est elle même une onde électromagnétique. Ses travaux sur l'électromagnétisme prennent fin en 1873. C'est Heinrich Hertz qui entre 1887 et 1888 apporte les preuves expérimentales étayant la théorie de Maxwell. En travaillant à très haute fréquence (quelques centaines de mégahertz) il obtient d'abord des ondes électriques dans des fils métalliques, puis prouve que la vitesse de propagation dans l'air des effets électromagnétiques n'est pas infinie, et enfin l'existence d'ondes électromagnétiques dans l'air. Hertz a construit les premières antennes émettrice et réceptrice d'ondes électromagnétiques. L'évolution technique est ensuite rapide puisque dès 1899 Marconi réalise la première liaison sans fil à travers la Manche. 1. Questions portant sur le texte une onde. a. Rappeler la définition d' b. Indiquer le type de phénomènes expérimentaux utilisés par Young pour montrer la nature ondulatoire de la lumière. c. Le texte met en avant quatre points nouveaux avancés par Maxwell dans sa théorie électromagnétique. Lesquels ? d. Quelle propriété différencie les ondes des ondes mécaniques ? e. Quel argument incite à penser que les ondes lumineuses sont de nature électromagnétique ? f. Rappeler l'ordre de grandeur des fréquences et des longueurs d'onde des ondes lumineuses. g. Calculer l'ordrede grandeur des longueurs d'ondes des ondes électromagnétiques utilisées par Hertz. 1 Professeur Barrandon Eric [email protected] Lycée La Merci Terminale S / spécialité physique C: Produire des signaux, communiquer 2. Définition et classification des ondes électromagnétiques Une onde électromagnétique est composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui se propagent tous deux à la même vitesse. Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent à la célérité de la lumière : c =3.108 m.s–1. Les ondes électromagnétiques n’ont pas besoin de support matériel pour se propager. On observe des phénomènes de diffraction, d’i nterférence, elles se réfléchissent et se réfractent comme les ondes lumineuses ce qui montre que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques se différencient par leurs fréquences (et donc leurs longueurs d'onde). L e type d'émetteur et de récepteur dépend de la fréquence de l'onde. Les ondes hertziennes, utilisés dans le domaine de la radio, la télévision, la téléphonie mobile sont également des ondes électromagnétiques. a. Les ondes hertziennes ont leurs fréquences comprises entre 300 kHz et 300 GHz. Calculer leurs domaines de longueurs d’ondes. b. Compléter le document ci-dessous en indiquant à chaque domaine les type d’ondes électromagnétiques suivants : infrarouge, rayon X, ultra-violet, ondes hertzienne, rayon γ et visible. 0,1 nm 10 nm 400 nm 18 3x1016 7,5x10 780 nm 1mm λ 10 km Type d'onde ν (Hz) 3x10 14 14 3,85x10 3x10 11 3x10 4 Emetteurs Récepteurs Les ondes hertziennes sont utilisées dans les télécommunications. Leurs domaines de fréquences est indiqué par le document suivant : λ (m) 104 103 Ondes Courtes P.O. Grandes ondes G.O. 101 102 Ondes courtes F.M. 3.105 II. RECEPTION HERTZIENNES ET 10-1 1 Télévision 10-2 Radar Communication par satellites 3.108 EMISSION DES ONDES 10-3 ELECTROMAGNETIQUES 3.1011 PAR f (Hz) VOIES 1) Réception des ondes traversant la salle. On souhaite mettre en évidence l’existence d’ondes électromagnétiques dans notre environnement. Réaliser pour cela l’expérience suivante : - Mettre l'oscilloscope sous tension puis régler les zéros des deux voies. - Sélectionner la voie 1 puis une vitesse de balayage de 10 ms / div. 2 Professeur Barrandon Eric [email protected] Lycée La Merci Terminale S / spécialité physique C: Produire des signaux, communiquer - Connecter un fil conducteur de 1 m sur la voie 1 (pas de fil connecté à la masse). Modifier la sensibilité verticale pour amplifier le signal. - Observer le signal obtenu. Calculer sa période, sa fréquence puis sa longueur d’ onde. L'utilisation du niveau de déclenchement (bouton level) sera souvent nécessaire pour stabiliser les signaux obtenus. - Le signal complexe observé résulte de la superposition de signaux sinusoïdaux. Quel signal de période facilement identifiable retrouve-t-on dans celui-ci ? - Quel nom donnez-vous au fil « volant » branché sur l’entrée de l’oscilloscope. 2) Emission et réception de nos propres ondes. - Régler le GBF sur un signal alternatif sinusoïdal, de fréquence 5 kHz. - Visualiser cette tension à l’oscilloscope puis à partir de zéro augmenter l’amplitude jusqu’à 6 V - Débrancher les 2 fils du GBF de l’oscilloscope. - Connecter un fil conducteur de longueur 1 m sur la sortie du GBF (pas de fil connecté à la masse) puis un autre fil d’u n mètre de longueur sur la sortie de l’oscilloscope. Les deux fils (GBF et oscilloscope) doivent être parallèles et proches (quelques centimètres). - Montrer que le signal capté par l'antenne réceptrice branchée sur l’oscilloscope capte bien un signal de même fréquence que celui émis par le GBF. - Mesurer l’amplitude du signal reçu. La comparer à celle du signal émis. - Eloigner l’antenne réceptrice. Observer puis noter les modifications du signal reçu par l’antenne. - Changer la fréquence du signal émis par le GBF et observer les effets sur le signal reçu. - Quelles conclusions peut-on tirer de ces manipulations ? III. TRANSMISSION D’INFORMATION PAR UNE ONDE On veut maintenant transmettre un son audible (par exemple de fréquence 70 Hz ) par onde électromagnétique. Le signal électrique à émettre sera donné par un GBF. Le récepteur devra fournir un signal électrique identique à celui fourni par le GBF, et qui permette après amplification d'alimenter un haut parleur. 1 Un premier essai …raté On peut tout d'abord penserutiliser le montage de la partie II : le GBF est directement relié à un fil d'antenne et le signal est reçu par une antenne réceptrice (on le visualise sur l'oscilloscope, mais il pourrait être amplifié et entré sur un haut parleur). Tester cette solution et donner une raison pour laquelle elle n'est pas satisfaisante. R = 470 Ω 2 La lumière chantante On procède alors différemment : on utilise une transmission du signal par la lumière. a. Le dispositif d'émission : E=6V 4 70 Ω D E L R o ug e Ue - Réaliser le montage ci-dessous. - Décrire qualitativement la relation entre l'intensité lumineuse et la tensionUe aux bornes du dipôle {R-DEL}. - D’ après les caractéristiques de la diode, quelle est la fréquence de l’ onde lumineuse émise ? b Le dispositif de réception : - Compléter le montage (schéma ci dessous), en plaçant le phototransistor face à la DEL, de façon à pouvoir recouvrir l'ensemble d'une boîte d'allumettes pour les E=6V isoler de la lumière ambiante. R = 470 Ω Y1 Ue DEL R Us Rs = 1 k Ω 3 Professeur Barrandon Eric [email protected] Lycée La Merci Terminale S / spécialité physique C: Produire des signaux, communiquer - Faire varier Ue et observer la tension Us aux bornes du conducteur ohmique Rs. - A quelle caractéristique de l'onde lum ineuse le montage récepteur est-il sensible ? c. Transmission du signal - Modifier le montage pour alimenter la DEL avec une tension alternative et observer en voie 1 le signal à transmettre (Ue) et en voie 2 le signal reçu (Us). - Régler le GBF en mode créneaux à très basse fréquence (0,2 Hz) - Observer la DEL, interpréter et représenter l'allure de la courbe représentant l'intensité lumineuse émise en fonction du temps. - Régler ensuite la fréquence du GBF à 70 Hz. - Pourquoi les variations d'inten sité ne sont elles plus visibles ? R = 470 Ω Y1 Y2 ue - Replacer la boîte d'allumettes et visualiser le signal obtenu à l'oscilloscope. DEL R us E =6V Rs = 1 kΩ - Le problème rencontré lors du premier montage est il résolu ? - Quels sont les problèmes restant à résoudre ? 4 Professeur Barrandon Eric [email protected] Lycée La Merci
