ONDes et paRtiCULes Chapitre 1 A. Le programme

1. ONDES ET PARTICULES 5 © Éditions Belin, 2012
A. Le programme
Notions et contenus Compétences exigibles
Rayonnements dans l’Univers.
Absorption de rayonnements par l’atmosphère
terrestre.
Les ondes dans la matière.
Houle, ondes sismiques, ondes sonores.
Magnitude d’un séisme sur l’échelle de
Richter.
Niveau d’intensité sonore.
Détecteurs d’ondes (mécaniques et
électromagnétiques) et de particules
(photons, particules élémentaires ou non).
Extraire et exploiter des informations
sur l’absorption de rayonnements par
l’atmosphère terrestre et ses conséquences
sur l’observation des sources de
rayonnements dans l’Univers.
Connaître des sources de rayonnement radio,
infrarouge et ultraviolet.
Extraire et exploiter des informations sur les
manifestations des ondes mécaniques dans la
matière.
Connaître et exploiter la relation liant le niveau
d’intensité sonore à l’intensité sonore.
Extraire et exploiter des informations sur :
– des sources d’ondes et de particules et leurs
utilisations ;
– un dispositif de détection.
Pratiquer une démarche expérimentale mettant
en œuvre un capteur ou un dispositif de
détection.
 Commentaires
Les formules et les connaissances sont peu nombreuses, le programme se focalisant sur des
compétences de type « extraire et exploiter ».
Le choix des systèmes étudiés est laissé à la libre appréciation de l’enseignant. Le programme
impose :
– une recherche documentaire sur une source d’onde/particules depuis l’espace et son interac-
tion avec l’atmosphère (cf. activité 1 « Quelques sources astronomiques ») ;
– une recherche documentaire sur un type d’ondes mécaniques (cf. activité 2 « La houle océa-
nique » et activité 3 « Intensité et niveau sonore ») ;
– une recherche documentaire sur une source d’onde/particules et un détecteur (cf. activité 4
« Principe d’un sismomètre ») ;
– une étude expérimentale d’un capteur (cf. activité 4).
Chapitre 1
ONDES ET PARTICULES

6 LIVRE DU PROFESSEUR © Éditions Belin, 2012
B. La démarche adoptée dans le manuel
Plan
La séparation en trois points s’est faite selon le plan suivant :
– 1.1 Ondes mécaniques
– 1.2 Ondes sonores
– 1.3 Rayonnements
bien que les ondes acoustiques soient un cas particulier d’ondes mécaniques.
Notions
Le cœur du chapitre tient aux contenus suivants :
– le concept d’onde (déplacement limité dans l’espace de la matière versus propagation à
grande distance) ;
– la différence entre ondes transversales et longitudinales ;
– la différence entre ondes mécaniques (qui nécessitent de la matière pour se propager) et élec-
tromagnétiques ;
– les sources et les détecteurs des ondes ;
– la mesure de l’importance des ondes, en particulier à travers les échelles logarithmiques
(Richter et niveau sonore).
Positionnement scientifique
– Aucune distinction n’est faite entre « acoustique » et « sonore ».
– Ondes et particules sont véritablement proches, le programme laissant entendre plus loin
(chapitre 10) que ce sont en quelque sorte les deux faces d’une même médaille.
Déroulé
– L’échelle logarithmique du niveau sonore n’étant pas très facile à appréhender, l’activité 3 (de
modélisation) permet aux élèves de s’exercer avec ce concept difficile.
– L’enseignant pourra tirer profit des exercices « Extraire et exploiter » sur d’autres types
d’ondes et les utiliser s’il le désire comme activités documentaires.
C. Commentaires sur les activités et documents proposés
 S’interroger p.12
L’intensité sonore double si on double le nombre de haut-parleurs : cela revient à augmenter de
3 dB le niveau sonore.
 Activité 1 p.14
Cette activité centrée sur l’interview d’une chercheuse permet aux élèves de découvrir la grande
diversité des sources astronomiques.
 Réponses aux questions
1. a. La plupart des étoiles émettent principalement dans le visible, l’UV et le proche IR.
b. Le rayonnement émis par les astres ne nous parvient pas toujours car il est absorbé par les
poussières constitutives des nébuleuses.

1. ONDES ET PARTICULES 7 © Éditions Belin, 2012
2. La source du rayonnement de l’espace est :
a. dans le proche infrarouge : les étoiles ;
b. dans l’infrarouge moyen : les poussières des nébuleuses proches d’une étoile ;
c. dans l’infrarouge lointain : les poussières des nébuleuses loin d’une étoile donc plus froides
que les précédentes (poussière des cocons protostellaires, des nuages moléculaires froids).
3. La vue de la nébuleuse de la Rosette est en « fausses couleurs » car le rayonnement IR est…
invisible ! Trois clichés ont été pris, l’un à 70 m converti en niveaux de rouge, l’autre à 160 m,
converti en niveaux de vert, le dernier à 250 m, converti en niveaux de bleu. La superposition
des trois images colorées donne le doc. 2.
4. Domaines de températures associées à un rayonnement :
a. dans le visible : 3,87 · 103 K < T < 7,25 · 103 K ;
b. dans le moyen infrarouge : 58 K < T < 290 K ;
c. dans le lointain infrarouge : 9,7 K < T < 58 K.
5. On ne peut voir directement l’infrarouge. Pour l’auteure, il s’agit d’images obtenues grâce
aux instruments et à leurs détecteurs, comme celle reproduite doc. 2 du manuel.
6. UV
Étoiles Poussières des nébuleuses
Visible Proche IR Moyen IR IR lointain
Proches Loin
d’une étoile
0,4 0,75 10 50 300 O (Pm)
 Activité 2 p. 15
La houle permet aux élèves de distinguer le mouvement de l’eau, limité dans l’espace, du dépla-
cement à grande distance de la vague. La vitesse des particules et la célérité de l’onde sont
aussi très différentes.
✔Réponses aux questions
1. Les particules d’eau situées en surface se déplacent horizontalement sur une distance égale
au diamètre de leur trajectoire circulaire, soit la hauteur des vagues. Elles n’emportent donc pas
un objet flottant : celui-ci se déplace dans une zone limitée.
2. La direction de propagation des vagues sur le schéma se fait dans le sens de gauche à droite
car « l’eau de la crête avance dans la direction de la vague ».
3. Les particules d’eau peuvent avoir une vitesse dirigée verticalement et même en sens inverse
du sens de propagation des vagues au creux de celles-ci.
4. a. La hauteur des vagues est de 1,00 m, car le diamètre d’une orbite circulaire à la surface de
la mer est égal à la hauteur de la vague.
b. La vitesse des particules d’eau en surface est : --
´
==⋅=⋅
 11 2 2 0,500 1,05 m s 3,78 km h
3,00
R
T.
5. La vitesse des particules d’eau en surface est différente de la vitesse de propagation des
vagues.
6. a. Il n’y a pas de déplacement de matière à grande échelle, seulement localement.
b. C’est le mouvement des particules d’eau qui se propage, c’est-à-dire la vague.
c. Les vitesses de la matière et de l’onde sont différentes.

8 LIVRE DU PROFESSEUR © Éditions Belin, 2012
 Activité 3 p. 16
L’activité permet, à partir d’un article et d’un tableau de valeurs, de passer de l’intensité au
niveau sonore.
✔Réponses aux questions
1. P  106  0,01  0,01  1010 W.
2. a. La sensation auditive n’est pas proportionnelle à l’intensité sonore.
b. De 50 à 70 dB, la variation de sensation auditive est la même que de 100 à 120 dB : « la
recherche d’impressions fortes nous conduit donc rapidement vers les limites de résistance des
fragiles cils cochléens ».
3.
A  10 et I0  1012 W · m2.
4. a. La variation de L est æö æö æö
÷÷ ÷
çç ç
÷÷ ÷
=-=
çç ç
÷÷ ÷
çç ç
÷÷ ÷
ç
çç èø
èø èø
21 2
00 1
10log 10log 10log
III
LII I
avec =
2
1
10
I
I dans les deux
cas donc L  10 log(10).
b. Comme L  0 dB au seuil de détection, la sensation auditive est proportionnelle au niveau
sonore L.
5. −
⎧
⎪
⎪
⎛⎞
⎪
⎟⎪
⎜⎟
=⎜⎨
⎟
⎜⎟⎪
⎜
⎝⎠
⎪
⎪
⎪
⎩
2
0
0
et en W · m
10log
en dB
II
I
LIL
avec I0  1012 W · m2. L’intensité sonore mesure la
puissance par unité de surface et la sensation auditive est proportionnelle au niveau sonore.
 Activité 4 p. 17
Cette activité propose de réaliser un sismomètre vertical avec du matériel disponible dans les
collections de physique des lycées. Il est fondé sur l’induction électromagnétique, une notion
qui n’est bien évidemment pas abordée en TS.

1. ONDES ET PARTICULES 9 © Éditions Belin, 2012
Matériel
2 bobines identiques de 500 spires chacune, un oscilloscope numérique, une potence rigide,
un ressort vertical accroché à la potence, une petite masse munie d’un crochet, un aimant
droit accroché (magnétiquement par exemple) au crochet, une règle graduée.
✔Réponses aux questions
1. Lorsqu’une onde sismique fait bouger le sol, le mouvement de l’aimant est celui du sol. Or
la bobine est fixée au bras sur lequel se trouve une masse importante. Du fait de cette masse,
le bras n’est donc pratiquement pas mis en mouvement par la force exercée par le ressort de la
suspension.
2. L’aimant solidaire du sol se déplace par rapport aux bobines : la vitesse relative de l’aimant
par rapport à la bobine n’est donc pas nulle. Il s’établit alors une tension électrique non nulle
qui permet de détecter les vibrations verticales du sol.
3. Dans l’expérience, il est possible de détecter à l’oscilloscope le mouvement relatif de l’aimant
par rapport aux bobines. C’est sur ce principe que repose le fonctionnement du sismographe.
4. Le document ci-dessous représente Vmax en fonction de A et la modélisation linéaire Vmax  k A
avec k =(12,2 + 0,7) V · m1, k en V · m1.
01020304050
A (mm)
Vmax (V)
0,6
0,4
0,2
5. == =
max 0,250 2,05 cm
12,2
V
Ak.
6. Le sismomètre est constitué d’un aimant qui reproduit le mouvement vertical du sol et d’une
bobine. Le dispositif est conçu pour que cette bobine demeure relativement immobile. Le
mouvement de l’aimant produit un signal électrique dans la bobine. L’enregistrement de ce
signal donne accès à l’amplitude A verticale de la secousse sismique.