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Exercices

Exercice corrigé

10

New Horizons.

En juillet 2015, la sonde New Horizons s’est approchée de Pluton, située alors à 4,86 milliards de kilomètres de la Terre. La sonde est équipée, entre autres :
  • d’une caméra infrarouge pour étudier la composition du sol plutonien ;
  • d'un appareil permettant d’analyser les ultraviolets émis par la planète naine.
Son antenne radio parabolique a permis d’envoyer vers la Terre la photographie ci-dessous de Pluton et de recevoir des instructions.

Étapes de la méthode

  • Une seconde lecture très attentive de l’énoncé est nécessaire, en notant chaque récepteur et le signal correspondant rencontrés à l’écrit ou en image.
  • Attention, toujours prendre en compte les conditions de propagation du signal envisagé.
  • Pour effectuer un calcul lié à la vitesse, il faut repérer les données de l’énoncé: si la distance et la vitesse sont indiquées, alors il s’agit de trouver la durée.

Corrigé :

  • Parmi les signaux évoqués dans le document, on repère les infrarouges et les ultraviolets. La sonde comporte une caméra pour la lumière et l’antenne suggère la réception d’ondes radio. Ainsi, les récepteurs sont :
    ▪ la caméra infrarouge ;
    ▪ le capteur ultraviolet ;
    ▪ la caméra visible ;
    ▪ l’antenne parabolique, recevant des instructions par ondes radio.
  • La sonde est dans l’espace. Il n’y a pas d'atmosphère, donc pas de son.
  • On connait la distance d entre la Terre et la sonde: environ 4,86 milliards de kilomètres, soit d = 4 860 000 000 km. La vitesse des ondes radio est 300 000 km/s.
    La formule à utiliser est t=dvt = \dfrac{d}{v} avec d en km et v en km/s. La durée sera donc en s.
    On a 4860000000300000=16200s.\dfrac{4 \: 860 \: 000 \: 000}{300 \: 000} = 16 \: 200 \: \text{s}.
    Or 1 h = 3 600 s. Donc 16 200 s représentent 162003600\dfrac{16 \: 200}{3 \:600}h soit 4,5 h.
    La durée de propagaton du signal radio est donc de 4 h 30 min.
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Spirit.

Le robot Spirit a parcouru le sol et l'atmosphère de Mars de 2004 à 2010. Parmi les appareils qui le composaient, il y avait une caméra infrarouge, un analyseur de rayons gamma et un détecteur de rayons X pour analyser le sol martien. Les informations étaient envoyées vers la Terre, à cent millions de kilomètres.

Je m'entraine

12

Un exposé sur le dauphin.

Éric a recherché certaines informations sur les dauphins et leurs communications sonores. Voici ses notes :
Les dauphins sont des mammifères vivants dans l’eau. Ils ont la capacité d’émettre et d'entendre des sons qui ne sont pas audibles pour les humains. Par exemple, un son de fréquence 0,12 × 104 dB n’est pas audible pour nous. Ce son se propage à la vitesse de 340 m/s dans l’eau.
Doc. 1
Dauphins.
13

Entendre des infrasons et des ultrasons.

Le tableau suivant présente les domaines des sons audibles pour différentes espèces animales en fonction de la fréquence.
14

To bee or not to bee.

Le diagramme suivant présente les gammes de fréquence des signaux lumineux visibles pour les hommes et ceux perçus par les abeilles. Pour les abeilles, il s’agit d’une hypothèse.
15

Les risques d’exposition à un son trop fort.

On considère que l’ouïe est en danger à partir d’un niveau de 80 dB durant une journée de travail de 8 heures. Si le niveau est extrêmement élevé (supérieur à 130 dB), toute exposition, même de très courte durée, est dangereuse.
Signal
Fréquence en Hz
Signal
Fréquence en Hz
A
1,23 x 105
D
0,123 x 108
B
12,3 x 106
E
123 x 103
C
1,23 x 104
F
12 300
Doc. 5
Notation scientifique.

Une notion, trois exercices

J'approfondis

19

Une hypothèse à tester.

Après avoir pris l’ascenseur, Marc reçoit une notification de message et constate qu’il a raté un appel, sans comprendre pourquoi. Chez lui, sa sœur explique : « C’est normal que tu aies raté cet appel puisque l’ascenseur est entièrement fait de parois métalliques ».
20

Fibre optique : endoscopie.

Lors d’une endoscopie, on insère deux tubes de fibre optique dans l’abdomen du patient pour observer les organes : le premier transmet de la lumière visible entre une source lumineuse et l’intérieur de l’abdomen. Le second capte la lumière à l’intérieur de l’abdomen et la transmet à une caméra. Celle-ci diffuse alors une image des organes, image nécessaire au diagnostic du médecin.
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Infrarouges et énergie thermique perdue par les bâtiments.

Inspirés de la vision infrarouge des serpents, les thermographes sont des appareils qui permettent de repérer les infrarouges émis. L’appareil indique en rouge les zones où l’émission d’infrarouges est forte, et en bleu les zones de moindre émission. La thermographie est utilisée dans l’analyse de l’isolation thermique des maisons. L’image 1 présente deux bâtiments différemment isolés.
22

Infrarouges et serpents.

Tous les serpents détectent les infrarouges. Pas avec leurs yeux cependant, puisque même masqués les serpents parviennent à détecter leur proie. Leurs détecteurs d’infrarouges se logent dans de petites fossettes situées entre les narines et les yeux. Les animaux à « sang chaud » transfèrent une partie de leur énergie thermique à l’environnement en rayonnant à une fréquence de 33 000  GHz, la fréquence d’infrarouge que les fossettes des serpents détectent le mieux.
23

Fibre optique II : connexion internet.

Les fibres optiques sont des filaments cylindriques en silice d’environ 150 μm de diamètre qui acheminent des signaux lumineux. Elles sont très utilisées dans les domaines des télécommunications. Ainsi, 12 315 km de fibres optiques ont été déposés au fond de l’océan Atlantique entre les États-Unis et la France en 2002, pour augmenter le débit de la liaison internet entre ces deux pays. Ce débit est désormais de 80 Go/s.
Note :
1 μm = 0,000 001 m.
Vitesse de la lumière dans la silice : 200 000 km/s.
24

La répartition des notes de musique.

Le tableau ci-contre présente les fréquences des notes de musique que les cordes d’une guitare jouent à vide. Deux octaves sont balayées : du mi de l’octave 2 au mi de l’octave 4. Une octave est l’intervalle séparant deux sons ayant des fréquences doubles l’une de l’autre.

Exercices supplémentaires

Les puces RFID.

Les puces RFID ou radioétiquettes sont de petits objets collés, incorporés dans certains objets ou implantés sous la peau des organismes vivants tel que des animaux de compagnie. La puce reçoit par son antenne un signal radio à une certaine fréquence qui agit sur la puce électronique. Celle-ci répond en émettant un signal à la même fréquence qui transmet certaines informations. Ces puces se répandent dans notre société : passeport, carte de paiement sans contact, antivol pour article en vente, code-barre amélioré, etc.
Exemples d’utilisationFréquences des signaux utilisés
Paiement sans contact13,56 MHz
Clé pour serrure électronique125 kHz
Pass pour télépéage2,45 GHz
Doc. 1
Fréquences utilisées par les puces RFID.

Le chant des baleines.

Ce lien te permet d’entendre l’enregistrement d’un chant de baleine à bosses au large de l’Alaska. L’analyse par certains appareils a montré que la gamme de fréquence des sons émis se situe entre 20 Hz et 10 kHz. Ces chants peuvent être utilisés pour la séduction lors des périodes d’accouplements. Il possède un avantage important : le chant des baleines à bosse peut être entendu par d’autres baleines situées à 1 000 km de distance !
MatériauVitesse du son (en m/s)
Air340
Vapeur d'eau494
Eau1 430
Fer5 950
Eau de mer1 530
Aluminim6 420
Doc. 3
Vitesse du son à travers différents matériaux.

Les rayons X.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien Allemand Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix nobel de Physique. Les rayons X sont des signaux électromagnétiques, situés au delà des ultraviolets. Leur fréquence varie entre 3 000 × 1012 Hz et 3,00 × 1019 Hz. Ils se propagent facilement dans les matériaux ayant une faible masse volumique. Plus le matériau a une masse volumique élevée, plus les rayons X sont absorbés. Parfois, ils n’arrivent pas à traverser le matériau. Mais ils peuvent être dangereux pour nos organes si nous sommes exposés trop longtemps. Ainsi, le personnel médical qui les utilisent lors de radiographies de notre squelette comme les radiologues, porte des tabliers en plomb pour se protéger.
SubstanceMasse volumique (en g/L)
Béton2 500
Coton40
Plomb11 350
Fer7 860
Eau1 000
Or19 300
Doc. 4
Masses volumiques de différentes substances.

Les rayons gamma.

Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques dont la fréquence est au-delà de celle des rayons X, c’est-à-dire que leur fréquence est supérieure à 3,00 x 1019 Hz. Ils sont extrêmement dangereux pour nos organes car ils peuvent provoquer des brûlures, ou des cancers. Ils sont émis par des substances radioactives, par des trous noirs ou lors d’explosion d’étoiles (supernova). Heureusement notre atmosphère absorbent les rayons gamma venus de l’espace. Sinon, il faut une couche de 6,6 cm de plomb (on parle d’un blindage en plomb) pour arrêter 99 % des rayons gamma.
SignalFréquence (en Hz)
A456 × 1017
B9,01 × 1018
C78,9 × 1017
D0,0005 × 1023
E0,0005 × 1020
F23 400 000 × 1012
Doc. 6
Fréquences de différents signaux.

Ultraviolet et bronzage.

La lumière ultraviolette émise par le Soleil est dangereuse. 95 % de cette lumière qui atteint le sol terrestre est constituée d’UV A (fréquence comprise entre 750 x 1012 Hz et 952 x 1012 Hz) qui favorisent le bronzage immédiat mais aussi le vieillissement de la peau et certains cancers de la peau. Ils sont aussi nocifs pour les yeux des enfants. Les UV B dont la fréquence varie entre 952 x 1012 Hz et 1015 Hz sont très cancérigènes. Ils sont aussi responsables des coups de soleil. On peut se protéger des UV B en utilisant une crème solaire d’indice de protection 50, parfois appelé « écran total ». Attention, l’indice 50 signifie qu’il faudra par exemple 50 fois plus de temps pour attraper un coup de soleil qu’en n’ayant aucune protection. Enfin les UV C, (entre 1015 Hz et 3,0 x 1015 Hz), encore plus dangereux, sont arrêtés par la couche d’ozone de la haute atmosphère.

Parcours de compétences

Parcours de compétences

Pour tester la qualité de pièces métalliques, on utilise un contrôle par ultrasons : un émetteur envoie un signal dans le métal. S’il rencontre une interface entre deux milieux de propagation différents, le signal est réfléchi puis capté par un récepteur. L’écran d’un oscilloscope permet de visualiser les signaux reçus. On teste deux pièces de métal identiques.

Niveau 1 - J'identifie les résultats obtenus.

Coup de pouce : Quelles différences y a-t-il entre les oscillogrammes des pièces testées ?

Niveau 3 - Je présente les idées qui permettent d’expliquer les résultats.

Coup de pouce : Que signifie la présence du pic supplémentaire de l’oscillogramme de la pièce n°2 ?

Niveau 2 - Je donne du sens aux résultats.

Coup de pouce : Sur les oscillogrammes, à quoi correspond le pic le plus à gauche ? À quoi correspondent le ou les pics suivants ?

Niveau 4 - J'interprète mes résultats en structurant mes arguments.

Coup de pouce : Explique la signification des pics observés sur les deux oscillogrammes dans une réponse argumentée et structurée.

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Pluton.

NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Wikimedia

Pluton.
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