Td corrigé Synthése arôme de banane - Académie de Lyon pdf

Synthése arôme de banane - Académie de Lyon

Comprendre le principe de fonctionnement d'un lecteur CD ..... Inventé en 1982 par les sociétés Sony et Philips, le CD (Compact Disc) est un disque optique de ...




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FICHE 1
PRÉSENTATION


TitreINTERFERENCESType d'activitéSéance de TP de 2hObjectifs de l’activitéDécouvrir le phénomène d’interférence pour divers type d’ondes.
Mettre en œuvre un protocole expérimental
Comprendre le principe de fonctionnement d’un lecteur CDRéférences par rapport au programme
Cette activité illustre le thème OBSERVER et AGIR

et le sous thème Caractéristiques et propriétés des ondes
et Transmettre et stocker l’information

en classe de TERMINALE S (tronc commun)
Notions et contenus

Interférences

Cas des ondes lumineuses monochromatiques, cas de la lumière blanche ; couleurs interférentielles



Écriture et lecture des données sur un disque optique
Capacités de stockageCompétences attendues

Connaître et exploiter les conditions d’interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiques

Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d’interférence dans le cas des ondes lumineuses

Expliquer le principe de la lecture par une approche interférentielle
Relier la capacité de stockage et son évolution au phénomène de diffractionConditions de mise en œuvrePrérequis :
Diffraction étudiée

Durée : 2h

Contraintes matérielles :
salle informatisée.Remarques
L’énoncé du TP renvoie à une fiche « document » qui peut être laissée aux élèves ou rester au laboratoire (intéressant car permet d’avoir une impression couleur)

Des liens vers des animations figurent dans le document professeur ainsi que sur la fiche « document »
AuteursIsabelle et Olivier CHAUMETTEAcadémie de LYON

FICHE 2
LISTE DU MATÉRIEL


INTERFÉRENCES



Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse du professeur.

Cuve à onde


Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse des élèves.

AVIMECA ou autre logiciel de pointage
La video « Croisement ondes »
Laser
Banc optique
Fentes calibrées de Young



FICHE 3
Fiche pour le professeur

INTERFÉRENCES

Compétences

Connaître et exploiter les conditions d’interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiquesPratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d’interférence dans le cas des ondes lumineuses
I. Mise en évidence du phénomène d’interférences des ondes mécaniques :

Définition : En  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9canique_ondulatoire" \o "Mécanique ondulatoire" mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde" \o "Onde" ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre.

 EMBED CorelDRAW.Graphic.10 
Nous allons voir ce phénomène sur une séquence vidéo.
On utilise le logiciel Aviméca : ouvrir le fichier « Croisement onde ».
1. Que se passe-t-il lorsque les deux ondes se croisent ?
2. Leur célérité paraît-elle modifiée après leur rencontre ?
3. Dans le cas ci-dessous, on parle d’interférences constructrices. Justifier ce terme.

Représenter sur la troisième figure le croisement de ces deux ondes au point M



4. Comment pourriez-vous qualifier les ondes observées sur la vidéo précédentes ?

5. Comment pourrait-on visualiser ce phénomène pour des ondes se déplaçant à la surface de l’eau ? Réaliser et interpréter l’expérience correspondante. Un schéma sera bienvenu.
Cuve à onde. Animations projetables :
 HYPERLINK "http://www.phy.hk/wiki/englishhtm/Interference.htm" http://www.phy.hk/wiki/englishhtm/Interference.htm et surtout :  HYPERLINK "http://www.phy.hk/wiki/englishhtm/Interference2.htm" http://www.phy.hk/wiki/englishhtm/Interference2.htm
qui permet de placer un « point » sur l’eau pour voir si les interférences sont constructives ou destructives.
Très belles animations également à :  HYPERLINK "http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/super2.htm" http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/super2.htm



II. Interférences des ondes lumineuses:

Envoyer le faisceau laser sur un ensemble de 2 fentes verticales fines et rapprochées (appelées fentes d’young)

1. Qu’observe-t-on sur l’écran ? Quels phénomènes met-on ainsi en évidence ?
Phénomène de diffraction et sur la tache centrale, des zones sombres et claires : interférences.
2. Modifier les fentes utiliser, quelle(s) différence(s) observe-t-on sur l’image obtenue ?

La distance séparant deux franges sombres ou deux franges brillantes consécutives est appelée « interfrange » et est noté i. On admettra que i est proportionnel à la longueur d’onde de la radiation utilisée.

3. Comment varie i en fonction de la distance D entre les fentes et l’écran ?
i augmente quand on augmente D
4. Comment varie i en fonction de la distance a entre les deux fentes ?
i augmente quand on diminue a
5. En déduire, parmi les formules proposées, celle correspondant à l’expression de l’interfrange.
a/ i = lðxaxD b/ i = lðx EMBED Equation.3  c/ i = lð x  EMBED Equation.3  d/ i =  EMBED Equation.3 
c est i = lðx EMBED Equation.3  (raisonner en termes de proportionnels et inversement proportionnel)

Deux versions pour cette question : soit « guidée » :
6.a/ Choisir une valeur de D fixée. Compléter le tableau suivant :

i en ma en mb/ Tracer i = f(a). Trouver l’équation de la courbe obtenue
c/ Utiliser la réponse obtenue question 5. pour trouver la valeur de lð.
d/ Comparer à la valeur indiquée sur le laser.

Soit en laissant davantage les élèves établir le protocole:
6. Choisir une valeur de D fixée. Proposer alors un protocole permettant, à partir de la formule du 5., de vérifier expérimentalement la valeur de lð.


III. Application au CD:
Lire le document « Le principe de la lecture d un disque optique » pour répondre aux questions suivantes :
Suite à la lecture du document, passer l animation du CEA pour résumer le principe

Le codage des données
1. Déterminer une valeur approchée de la vitesse linéaire de lecture des creux en mètre par seconde.
Durée de lecture d’un CD complet : 74 min (la musique se lit à vitesse x1 !). Il faut que les élèves pensent à la nécessité d’avoir une donnée de durée pour calculer V. Longueur totale de la piste : 5 km.
Donc V= 5.103/(74x60) = 1,1 m/s environ (les 5 km sont une valeur approchée)
2. En déduire la vitesse de rotation en tours par minute (sachant que la vitesse angulaire en rad/s s’exprime : w= V/R, où R est le rayon du disque)
R = 6 cm (=12/2) donc w = 1,6/6.10-2 = 26,7 rad/s soit en divisant par 2pð : 4,2 tours/s soit environ 250 tours/minute ! on est loin du 45 tours (par minutes) ou du 33 tours. Et encore, c est en x1. Certains lecteurs peuvent effectuer du x16, x24, x48 (pour les données uniquement, pas pour la musique !)

Le principe de la lecture des données
1. L indice optique du polycarbonate est nP = 1,55. Calculer la longueur d onde du laser dans le polycarbonate.
Dans le vide (ou l air) lð = 780 nm. Dans le polycarbonate, lðP = lð/nP = 780 /1,55 = 503 nm
2. Vérifier que la profondeur d un « pit » est de l ordre de lð/4.
La profondeur d un pit (creux) est de 0,12 µm soit 120 nm. C est bien environ lðP/4 = 125 nm.
3. La réflexion sur un plat n entraine aucun déphasage entre l onde incidente et l onde réfléchie.
Montrer que lors de la réflexion du faisceau dans un creux, il se crée un déphasage de lð/2.
L onde se réfléchissant dans un creux parcourt une moitié de longueur d onde de plus (lð/4 à l aller, lð/4 au retour) que celle se réfléchissant sur un plat. Il y a donc un déphasage de lð/2.
4. Expliquer pourquoi il y a alors interférences destructive au niveau d un creux.
Deux ondes se croisant ajoutent algébriquement leurs effets. Donc l onde résultante dans le cas d un creux a une amplitude constamment nulle.
5. Que se passe-t-il au niveau d un plat ?
L inverse : amplitude maxi.

Le problème de la diffraction
1. Calculer le diamètre de la tâche due à la diffraction pour un CD.
d = 1,22xlð/NA = 1,22x780.10-9/0,45 = 2,1 µm
2. Montrer que, compte tenu des dimensions des pistes du CD, ce diamètre permet une lecture correcte.

La tache recouvre le creux (largeur 0,67 µm) et dépasse de chaque côté de (2,1 µm – 0,67 µm)/ 2 soit 0,72 µm.
Or entre deux pistes il y a 1,6 µm donc la tache ne va pas « toucher » la piste d’à côté.

3. Faire le calcul pour un DVD sachant que la largeur d’un pit vaut 0,32 µm.
d = 1,22xlð/NA = 1,22x658.10-9/0,65 = 1,24 µm.
La tache recouvre le creux (largeur 0,32 µm) et dépasse de chaque côté de (1,24 µm  0,32 µm)/ 2 soit 0,46 µm.
Or entre deux pistes il y a 0,74 µm donc la tache ne va pas « toucher » la piste d à côté.
4. Pour un DVD, quelle doit-être la profondeur d un creux ?
lðP/4 avec lðP longueur d onde dans le polycarbonate lðP = 658/1,55 = 423 nm donc une profondeur de 105 nm.
5. Expliquer les choix techniques faits pour un DVD, pour un Blu-ray. Justifier le nom de Blu-ray
Pour augmenter le nombre de creux et donc d informations sur un disque, il faut réduire la taille du faisceau. D après d = 1,22xlð/NA, il faut réduire lð et augmenter NA (car NA s exprime :  C est ce qui est fait pour un DVD (on passe en couleur rouge) et un Blu ray (on passe en couleur bleu, d’où le nom Blu-ray) tout en augmentant chaque fois l’ouverture numérique.
Type de supportCDDVDHD-DVDBlu-rayLongueur d’onde780 nm658 nm405 nm405 nmOuverture numérique0,450,650,650,85Capacité700 Mbits4,7 Gbits15 Gbits23 GbitsDistance entre pistes1,6 µm0,74 µm0,32 µm0,4 µmLargeur faisceau2,1 µm1,2 µm0,76 µm0,6 µm


Comparaison des
différents supports
optiques



Pour le professeur : à projeter en guise de correction :





Fiche ÉlÈve

INTERFÉRENCES

Compétences

Connaître et exploiter les conditions d’interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiquesPratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d’interférence dans le cas des ondes lumineuses

I. Mise en évidence du phénomène d’interférences des ondes mécaniques :

Définition : En  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9canique_ondulatoire" \o "Mécanique ondulatoire" mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde" \o "Onde" ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre.

 EMBED CorelDRAW.Graphic.10 
Nous allons voir ce phénomène sur une séquence vidéo.
On utilise le logiciel Aviméca : ouvrir le fichier « Croisement onde ».
1. Que se passe-t-il lorsque les deux ondes se croisent ?
2. Leur célérité paraît-elle modifiée après leur rencontre ?
3. Dans le cas ci-dessous, on parle d’interférences constructrices. Justifier ce terme.

Représenter sur la troisième figure le croisement de ces deux ondes au point M



4. Comment pourriez-vous qualifier les ondes observées sur la vidéo précédentes ?

5. Comment pourrait-on visualiser ce phénomène pour des ondes se déplaçant à la surface de l’eau ? Réaliser et interpréter l’expérience correspondante. Un schéma sera bienvenu.


II. Interférences des ondes lumineuses:

Envoyer le faisceau laser sur un ensemble de 2 fentes verticales fines et rapprochées (appelées fentes d’young)

1. Qu’observe-t-on sur l’écran ? Quels phénomènes met-on ainsi en évidence ?
2. Modifier les fentes utiliser, quelle(s) différence(s) observe-t-on sur l’image obtenue ?


La distance séparant deux franges sombres ou deux franges brillantes consécutives est appelée « interfrange » et est noté i. On admettra que i est proportionnel à la longueur d’onde de la radiation utilisée.

3. Comment varie i en fonction de la distance D entre les fentes et l’écran ?
4. Comment varie i en fonction de la distance a entre les deux fentes ?
5. En déduire, parmi les formules proposées, celle correspondant à l expression de l interfrange.
a/ i = lðxaxD b/ i = lðx EMBED Equation.3  c/ i = lð x  EMBED Equation.3  d/ i =  EMBED Equation.3 


Deux versions pour cette question : soit « guidée » :
6.a/ Choisir une valeur de D fixée. Compléter le tableau suivant :

i en ma en mb/ Tracer i = f(a). Trouver l’équation de la courbe obtenue
c/ Utiliser la réponse obtenue question 5. pour trouver la valeur de lð.
d/ Comparer à la valeur indiquée sur le laser.

Soit en laissant davantage les élèves établir le protocole:
6. Choisir une valeur de D fixée. Proposer alors un protocole permettant, à partir de la formule du 5., de vérifier expérimentalement la valeur de lð.


III. Application au CD:
Lire le document « Le principe de la lecture d un disque optique » pour répondre aux questions suivantes :

Le codage des données
1. Déterminer une valeur approchée de la vitesse linéaire de lecture des creux en mètre par seconde.
2. En déduire la vitesse de rotation en tours par minute (sachant que la vitesse angulaire en rad/s s’exprime : w= V/R, où R est le rayon du disque)

Le principe de la lecture des données
1. L’indice optique du polycarbonate est nP = 1,55. Calculer la longueur d’onde du laser dans le polycarbonate.
2. Vérifier que la profondeur d’un « pit » est de l’ordre de lð/4.
3. La réflexion sur un plat n entraine aucun déphasage entre l onde incidente et l onde réfléchie.
Montrer que lors de la réflexion du faisceau dans un creux, il se crée un déphasage de lð/2.
4. Expliquer pourquoi il y a alors interférences destructive au niveau d’un creux.
5. Que se passe-t-il au niveau d’un plat ?

Le problème de la diffraction

1. Calculer le diamètre de la tâche due à la diffraction pour un CD.
2. Montrer que, compte tenu des dimensions des pistes du CD, ce diamètre permet une lecture correcte.
3. Faire le calcul pour un DVD sachant que la largeur d’un pit vaut 0,32 µm.
4. Pour un DVD, quelle doit-être la profondeur d’un creux ?
5. Expliquer les choix techniques faits pour un DVD, pour un Blu-ray. Justifier le nom de Blu-ray

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