Thème : Énergie, matière et rayonnement Type de ressources

Thème : Énergie, matière et rayonnement
Type de ressources : Activités expérimentales sur le Laser
Notions et contenus :
Transferts quantiques d’énergie
Émission et absorption quantiques.
Émission stimulée et amplification d’une onde lumineuse.
Oscillateur optique : principe du Laser.
Compétence travaillée ou évaluée :
o suivre un protocole
o effectuer des mesures avec précision
o exploiter et interpréter des observations, des mesures
o analyser des résultats de façon critique
o proposer des améliorations de la démarche ou du modèle
o utiliser du vocabulaire de la métrologie
o utilisation d’ordre de grandeur
Nature de l’activité : Mise en œuvre d’un protocole utilisant le Laser comme un outil d’investigation.
Résumé (en 5 lignes au plus) :
Une série d’expériences sur le Laser :
- mesure de la vitesse de la lumière
- mesure d’une période d’oscillation
- mesure de la puissance d’un Laser
- identification de la solution la plus concentrée
- détermination de la concentration d’une solution
Mots clefs : vitesse de la lumière, Laser, fibre optique, période d’oscillation, puissance d’un Laser,
concentration, solution
Académie où a été produite la ressource : Toulouse

Utilisation d’un Laser comme outil d’investigation
1. Mesure de la vitesse de la lumière par fibre optique
1. Matériel nécessaire
Matériel Didalab intitulé Kit réflex constitué de :
- une fibre optique de 20 m de long,
- une alimentation 12 V continue.
- un boîtier d’émission constitué d’un laser modulé par une tension créneau de 5 V,
- un boîtier de réception,
- des câbles coaxiaux,
- un oscilloscope avec une base de temps de quelques nanosecondes.
2. Protocole expérimental
Mesure du temps par la fibre optique.
Relier l’émetteur, et le récepteur par la fibre optique
de 20 m. Relier le boîtier d’émission et de réception
à l’oscilloscope. Utiliser une base de temps de
quelques nanosecondes. Observer le décalage des
courbes et mesurer le temps entre la réception et
l’émission.
Mesure du temps de réponse du dispositif.
Ce temps correspond au temps de réponse du dispositif, c’est-à-dire au temps que le
capteur met pour réagir. Ce délai est relativement court mais doit être pris en compte
impérativement car le temps mesuré dans la fibre optique est du même ordre de
grandeur.
Placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre, sans fibre optique. Mesurer le
temps de réponse : on suppose que la lumière dans ce cas arrive instantanément. Le
décalage n’est donc dû qu’au temps de réponse du capteur.
Mesure de la vitesse de la lumière
Il suffit de soustraire les deux temps mesurés.
3. Résultats expérimentaux
On remarque l’atténuation du signal reçu.
Le premier temps trouvé est tfibre optique = 154 ns.
Le temps de réponse trouvé est tréponse = 56,0 ns.
Ainsi la valeur de la vitesse de la lumière est de
c = 2,04.108 m.s-1

Cette valeur est assez éloignée de la valeur classique 3.108 m.s-1 mais n’oublions pas que
l’on se trouve dans de la fibre de verre.
Si l’on estime l’indice de réfraction de la fibre de verre à 1,5, cela nous donne une vitesse
de v = = 2.108 m.s-1
4. Les incertitudes de mesure
Les sources d’incertitudes sont multiples : mesure de la longueur de la fibre optique,
mesure du décalage temporel sur l’écran de l’oscilloscope.
Il sera intéressant de les évaluer avec les élèves.
5. Autre matériel possible
Si l’on ne possède pas le kit de Didalab, il est possible de construire la manipulation avec
un laser modulé, une ou deux photodiodes rapides BPW34 alimentées en inverse et en
série avec une résistance et enfin une fibre optique de 20 m. Il faudra utiliser des câbles
coaxiaux pour éviter des ondes parasites.
2. Mesure de la vitesse de la lumière à l’aide d’un miroir
1. Matériel nécessaire
Matériel Didalab intitulé Kit réflex constitué de :
- un boîtier d’émission constitué d’un laser modulé par une tension créneau de 5 V,
- une alimentation 12 V continue
- un boîtier de réception,
- un miroir,
- des câbles coaxiaux,
- un oscilloscope avec une base de temps de quelques nanosecondes.
2. Protocole expérimental
Mesure du temps aller-retour de la lumière par réflexion sur un
miroir
Pour ce deuxième protocole, le principe est de supprimer la fibre
optique. Le faisceau du Laser sort du boîtier émetteur et se
propage dans l’air, puis, après réflexion sur un miroir, revient
trouver le récepteur. Relier le boîtier d’émission et de réception à
l’oscilloscope. Utiliser une base de temps de quelques
nanosecondes. Observer le décalage des courbes et mesurer le
temps entre la réception et l’émission.

Mesure du temps de réponse du dispositif.
Ce temps correspond au temps de réponse du dispositif, c’est-à-dire au temps que le
capteur met pour réagir. Ce délai est relativement court mais doit être pris en compte
impérativement car le temps mesuré dans la fibre optique est du même ordre de
grandeur.
Placer l’émetteur et le récepteur en face l’un de l’autre, sans fibre optique. Mesurer le
temps de réponse : on suppose que la lumière dans ce cas arrive instantanément. Le
décalage n’est donc dû qu’au temps de réponse du capteur.
Mesure de la vitesse de la lumière
Il suffit de soustraire les deux temps
3. Résultats expérimentaux
Le premier temps trouvé est tmiroir = 95,0 ns.
Le temps de réponse trouvé est tréponse = 56,0 ns.
La distance séparant l’émetteur du récepteur est de 2 x 6 = 12 m.
Ainsi la valeur de la vitesse de la lumière est de c = 3,08.108 m.s-1
Cette valeur est très proche de la valeur classique 3.108 m.s-1 .
Remarque : la distance ne doit pas être trop courte afin d’obtenir des courbes
exploitables.
4. Les incertitudes de mesure
Les sources d’incertitudes sont multiples : mesure de la distance entre l’émetteur et le
récepteur, mesure du décalage temporel sur l’écran de l’oscilloscope.
Il sera intéressant de les évaluer avec les élèves.
5. Variantes possibles
Il est possible de faire varier la distance entre l’émetteur et le récepteur et de mesurer le
temps t à chaque fois. Une série de mesure permettra de tracer d= f(t) et de déterminer c
par le coefficient directeur de la pente de la droite expérimentale.
On peut aussi utiliser le Laser comme un télémètre Laser, c’est-à-dire de déterminer des
distances connaissant c, et le temps de décalage entre les signaux émis et reçus.
6. Prolongement pédagogique possible : mesure de la distance Terre-Lune
Il est possible de compléter cette activité expérimentale par la mesure de la distance
Terre-Lune à partir des temps aller-retour d’un faisceau Laser, émis depuis l’observatoire
de la Côte d’Azur (Calern).
En effet, l’observatoire de la Côte d’azur possède un Laser appelé YAG solide
(Yttrium,Aluminium,Grenat) émettant 10 tirs par seconde.
Le tir parvient donc sur la Lune où sont installés des réflecteurs, posés par des sondes
automatisées russes ou par des astronautes américains. Ainsi le tir revient sur Terre
après avoir suivi un aller-retour. Les signaux sont tellement faibles que seuls quelques tirs
parviennent à être réceptionnés dans une série.

Ci-dessous se trouvent rassemblées une série de mesures aller-retour réalisée par le
Laser du Calern le 17 janvier 2005.
5120050117171437805861025588839005100301910050002797099 087640+01756 5320a0679
5120050117172157942851925588083475285201910020002386099 087640+01255 5320a0478
5120050117173601457679525591509546607301910076002729099 087640+00462 5320a0736
5120050117174723873267825586323305346001910010002098036 087640+00368 5320a0293
5120050117175739008296625596731125044301910048002940099 087640+00670 5320a0652
5120050117181255538712725601946361076301910039003077099 087640+00472 5320a0666
5120050117183123256712325609924365384301910036002833099 087629+00873 5320a0705
5120050117184148745383525615230600968301910037002377099 087629+01167 5320a0602
5120050117185504430724225622805022926301910023003136066 087620+01558 5320a0573
5120050117193319658614525649680100195301910035002955070 087609+00858 5320a0809
5120050117195234818383525665911290296301910063002885099 087600+01735 5320a0678
5120050117200418358990625674589059893201910023002317099 087590+01637 5320a0615
5120050117201630179986825688446562719301910058002630099 087590+02527 5320a0708
5120050117202838230440725693305189661001910031002329049 087579+02731 5320a0581
5120050117204224153096625715601380748301910053002679099 087579+02237 5320a0702
5120050117205317839483525725609582960201910031002013099 087579+02433 5320a0593
5120050117210703408142925743877917000301910067002919099 087570+02237 5320a0656
5120050117212525430384025758844087170001910025002412038 087559+02230 5320a0541
 Il est possible de réaliser une étude statistique de la détermination de la distance
Terre- Lune.
 Ce sera l’occasion d’évoquer la variation de la distance Terre-Lune ainsi que la
rotation de la Terre qui influe sur l’évolution des mesures.
 Enfin il sera intéressant de rechercher les différents paramètres intervenant dans
cette mesure et qui sont sources d’erreurs vis-à-vis de la valeur admise de la vitesse
de la lumière : la présence d’atmosphère, l’orbite elliptique de la Lune, le choix du
réflecteur lunaire...