SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Ref : 250 008 Français – p 1 Version : 0112 Mallette didactique : Optique SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 3 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. 4 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 5 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 6 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 7 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. FRANÇAIS 8 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. 9 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. 10 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 11 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 12 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. FRANÇAIS 13 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. FRANÇAIS 14 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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. FRANÇAIS 14 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 16 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 2 Annexe 2.1.1 2.1.2 FRANÇAIS 17 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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 18 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 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). FRANÇAIS 19 SL1/ SL2/ SL3/ SL5 Mallette didactique : Optique Ref : 250 008 Récepteur Emetteur 3 Service Après-vente 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 FRANÇAIS 20