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I- Les rayonnements dans l’Univers.

1)- Présentation et rappels.

a)-  Le rayonnement.

-  Le rayonnement est un phénomène physique.

-  Il possède une dualité onde-corpuscule.

-  Le rayonnement peut être décrit de manière :

-  Corpusculaire par la propagation de photons.

-  Ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique

-  Le photon :

-  En 1900, Max Planck fut conduit à postuler la quantification de l’énergie transportée par les ondes électromagnétiques.

-  Il postule que l’énergie électromagnétique ne peut s’échanger que par « paquets » ou quanta d’énergie.

-  En 1905, Albert Einstein émet l’idée que ces quanta d’énergie sont transportés par des photons.

-  Les photons sont des particules de masse nulle et de charge nulle se propageant à la vitesse de la lumière.

b)-  Lumière et rayonnement.

-  L’onde lumineuse résulte de la propagation d’une perturbation électromagnétique dans les milieux transparents.

-  Les ondes lumineuses périodiques sont appelées des radiations.

-  Contrairement aux ondes mécaniques, la propagation des ondes lumineuses ne nécessite pas de support matériel.

-  La lumière peut se propager dans le vide.

c)-  Le spectre des ondes électromagnétiques.

-  Une radiation lumineuse est caractérisée par :

-  Sa fréquence ν (en Hz) ou sa période T (en s).

-  Sa longueur d’onde dans le vide l ₀.

-  Remarque : la fréquence d’une radiation lumineuse ne dépend pas du milieu de propagation alors que la longueur d’onde dépend du milieu de propagation.

  Relation fondamentale :

-  La longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse est donnée par la relation :

-   

-  Remarque : Pour les radiations lumineuses, on préfère utiliser la lettre grecque ‘’nu’’.

-  De manière générale, on caractérise une radiation lumineuse par sa longueur d’onde dans le vide.

-  Complément : l’œil humain n’est sensible qu’à certaines radiations lumineuses.

-  Le domaine de radiations lumineuses visibles s’étend de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).

2)- Les divers rayonnements.

-  Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé, de façon arbitraire, en divers domaines.

 

 

-  Le rayonnement cosmique :

-  Il est constitué par des astroparticules, telles que des protons, des noyaux d’hélium, qui se propagent dans le vide interstellaire.

3)- Les sources de rayonnements.

-  Les corps célestes émettent des rayonnements dans divers domaines de longueurs d’onde.

-  Il est possible de caractériser certaines sources grâce aux types de rayonnements qu’elles émettent.

-  Le document suivant, donne des exemples de rayonnements dans divers domaines du spectre électromagnétique.

 

-  On remarque que la lumière visible ne représente qu’une infime partie du spectre électromagnétique.

-  Les objets célestes « chauds », tels que quasars, naines blanches, étoiles dites chaudes, émettent une grande part de leur rayonnement dans le domaine de l’ultraviolet.

-  Les objets « froids », comme les planètes, les étoiles jeunes, les nuages de poussières, émettent principalement dans le domaine de l’infrarouge.

4)- Absorption par l’atmosphère terrestre.

-  Les rayonnements se propagent dans le vide et dans les milieux matériels.

-  Certains réagissent avec l’atmosphère.

-  Les constituants de l’atmosphère absorbent certaines radiations.

-  Exemple : le Soleil :

-  Le Soleil est la principale source de rayonnements électromagnétiques de notre système solaire.

-  Profil spectral et spectre simplifiée de la lumière émise par le Soleil.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 

-  Le profil spectral d’une étoile est la courbe qui représente l’intensité lumineuse des radiations émises par cette étoile en fonction de la longueur d’onde.

-  Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil absorbent certaines radiations lumineuses.

-  Ceci se traduit par l’apparition de raies sombres dans le spectre de la lumière émise par le Soleil et par des minima d’intensité lumineuse dans le profil spectral.

-  Les longueurs d’onde correspondantes permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil.

-  Mais d’autre part, ce phénomène d’absorption peut gêner les observations astronomiques.

-  Pour contourner cette difficulté, on utilise des télescopes spatiaux (télescope spatial Hubble).

-  Ainsi, on peut détecter les rayonnements qui n’arrivent pas jusqu’au sol.

-  Enfin, certains rayonnements interagissent avec les astroparticules.

-  Il se crée alors des particules secondaires, comme les muons.

-  Les muons sont des particules élémentaires de même charge électrique que les électrons mais avec une masse 207 fois plus grande.

-  On les appelle aussi les électrons lourds.

-  Les muons sont produits par interaction entre les particules cosmiques et les particules de la haute atmosphère.

-  On peut les observer à la surface de la Terre grâce à des détecteurs

-  (on peut citer la chambre à fils mise au point par le physicien Français Georges Charpack en 1968)

II- Manifestations des ondes dans la matière.

1)- Les ondes mécaniques :

-  Contrairement aux ondes électromagnétiques, qui peuvent se propager dans le vide, les ondes mécaniques ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Onde mécanique : - Une onde mécanique correspond à la propagation d’une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière.

-  C’est pour cela que l’on dit qu’un mobile se déplace alors qu’une onde se propage.

-  La propagation de l’onde mécanique peut se faire dans des milieux à une, deux ou trois dimensions.

-  La direction dans laquelle se propage la perturbation est la direction de propagation de l’onde.

-  Après le passage de la perturbation, chaque point du milieu matériel reprend sa position initiale.

-  On dit que le milieu matériel est élastique.

-  Une onde mécanique transporte de l’énergie.

2)- Exemples d’ondes mécaniques :

a)-  La houle :

-  La houle est un mouvement ondulatoire qui se propage à la surface de la mer.

-  Lors de tempêtes, la houle transporte beaucoup d’énergie et les effets produits peuvent être très importants.

-  La houle peut alors détruire des digues, des bâtiments et provoquer des inondations.

b)-  Les ondes sismiques :

   Comment les ondes sismiques se propagent-elles ?

 

-  Quand la Terre tremble, les vibrations se propagent dans toutes les directions à partir du foyer du tremblement de terre situé dans les profondeurs de la couche terrestre.

-  Les vibrations sont initialement de deux types :

-  Celles qui compriment et détendent alternativement les roches, à la manière d'un accordéon, et celles plus destructrices qui les cisaillent.

-  Les premières, les plus rapides (appelées ondes P), voyagent dans la croûte à une vitesse de 6 km / s environ, mais peuvent être ralenties dans les roches peu consolidées.

-  Les secondes (appelées ondes S) sont, à cause des propriétés élastiques des roches, systématiquement deux fois plus lentes mais environ cinq fois plus fortes que les premières.

-  Ainsi, lors d'un séisme lointain, ayant ressenti l'onde P, on peut anticiper l'arrivée des ondes S.

  Peut-on les distinguer quand un séisme a lieu sous nos pieds ?

-  Les ondes P vibrent dans leur direction de propagation, elles soulèvent ou affaissent le sol,

-  Les ondes P sont des ondes longitudinales :

Onde longitudinale : -  La direction de déplacement temporaire de la matière   et la direction de propagation de l'onde sont les mêmes.

-  On parle aussi d'ondes de compression :

-  Elles créent de proche en proche des ondes de compression - détente du milieu de propagation.

 

-  Modélisation :

 

Ondes P

 

-  Les ondes S vibrent perpendiculairement et nous secouent horizontalement.

-  Les ondes S sont des ondes transversales :

Onde transversale : - La direction de déplacement temporaire de la matière   et la direction de propagation de l'onde sont perpendiculaires.

-  On parle aussi d'ondes de cisaillement.

 

-  Modélisation :

Ondes S

 

-  Les effets des ondes sismiques peuvent être importants : destruction de bâtiments, glissements de terrain,…

-  Heureusement, lors de leur voyage à travers le sous-sol, les ondes perdent de leur énergie.

-  En s'éloignant du foyer, elles s'amortissent et leurs effets s'atténuent.

-  Voilà pourquoi les séismes superficiels, trop proches pour être affaiblis, sont les plus destructeurs.

-  La magnitude mesure l’énergie dégagée par un séisme.

-  On utilise souvent l’échelle de Richter pour indiquer la valeur de la magnitude.

 Détection des ondes sismiques :

-  Un sismographe permet d’enregistrer les mouvements du sol lors d’un séisme.

-  Lien :

 

 

 SISMOGRAPHE

Animation flash

c)-  Les ondes sonores.

-  Propagation d’un son dans l’air.

-  Montage : G.B.F et H.P. On émet un son dans l’air.

 

-  L’air est un mélange de gaz.

-  Il se comporte comme un gaz.

-  Il est compressible et expansible, élastique….

-  Lors de l’émission d’un son, la membrane du H.P se déplace.

-  En avançant, elle crée une compression, elle comprime les couches d’air voisines de sa surface.

-  L’air comprimé pousse dans toutes les directions l’air qui l’entoure et reprend sa position initiale.

-  La compression se propage de proche en proche, c’est l’onde sonore.

-  La perturbation créée par la membrane est une variation de pression.

-  Si p₀ est la pression initiale, et p la pression lors de la compression, la variation de pression est :

-   δp = p – p₀.

-  L’oreille détecte le son émis par le H.P car elle est sensible à la variation de pression δp bien qu’elle soit faible par rapport à la pression atmosphérique.

-  Une onde sonore se propage dans un milieu matériel solide, liquide ou gazeux mais ne se propage pas dans le vide.

-  Une onde sonore a besoin d’un milieu matériel pour se propager.

►  Additif :

-  Le son est une onde longitudinale : la direction de propagation est parallèle à la direction de la perturbation.

-  La propagation d’un son nécessite un milieu matériel.

-  Le son ne se propage pas dans le vide.

-  Le son transporte de l’énergie.

►  Additif :

-  Lorsque la variation de la pression est très rapide et que l’amplitude est très grande, l’onde sonore devient une onde de choc.

-  Une telle onde peut être produite par un avion en vol supersonique (franchissement du mur du son).

-  Les effets de ce type d’onde peuvent être importants : vitres cassées, murs fissurés.

-  L’oreille humaine est un récepteur sensible aux ondes sonores dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz.

-  Domaines des ondes sonores :

 

3)- Détection des ondes et des particules.

-  Le sismographe : il permet d’enregistrer des ondes sismiques et de localiser l’épicentre d’un séisme.

-  La chambre à brouillards : elles détectent les particules chargées comme les muons.

-  Le compteur Geiger : il détecte les particules émises lors de désintégrations radioactives.

-  Il détecte les particules alpha (α), béta (β) et gamma(γ).

III- Applications.

1)- Ondes de choc et vitres brisées.

-  Le son se propage dans les solides, les liquides et les gaz.

-  À l’échelle microscopique, le son est la propagation d’une vibration des atomes ou des molécules autour d’une position d’équilibre.

-  Nos oreilles détectent les variations macroscopiques de pression de l’air créées par ces vibrations.

-  Schématisation de la propagation du son.

 

-  Une onde de choc mécanique correspond à une très importante variation de pression.

-  Un avion en vol émet des sons qui se propagent tout autour de lui.

-  Comme l’avion se déplace, ces ondes sont plus proches les unes des autres devant l’avion et plus éloignées derrière lui.

-  Quand cet avion atteint la vitesse du son, ces ondes sonores se concentrent à l’avant de l’avion.

-  Cette concentration est appelée « mur du son ».

-  Un avion traverse « le mur du son » lorsque sa vitesse devient supérieure à celle du son.

-  On parle alors de vitesse supersonique.

-  Illustration du phénomène :

 

-  Durant un vol supersonique, l’avion émet des ondes de choc qui correspondent au « bang » supersonique.

-  Lors de certaines explosions, la matière est projetée à une vitesse qui dépasse celle du son dans l’air, ce qui engendre une onde de choc.

-  Le 21 octobre 2007, de nombreuses vitres ont volé en éclats dans le sud de Bruxelles.

-  Simultanément, beaucoup d’habitants ont entendu une importante déflagration.

-  Certains ont même senti leur maison trembler.

-  Il s’agissait de deux avions F-16 ayant passé le mur du son.

-  Ce phénomène est très rare en France, car la réglementation interdit les vols supersoniques au-dessus des zones habitées.

-  Une puissance explosion s’est produite le vendredi 22 juillet 2011 en plein centre d’Oslo.

-  L’onde de choc a brisé la plupart des vitres du siège du gouvernement, ainsi que des bâtiments situés à proximité.

► Questions :

  Décrire la propagation du son dans l’air.

  Critiquer la propagation du son réalisée ci-dessus.

  La valeur de la vitesse de propagation d’un son sera-t-elle plus grande dans un solide ou dans un gaz ?

  Argumenter en s’appuyant sur la différence de structure entre les solides et les gaz.

  Reformulez la définition d’une onde de choc. Comment une onde de choc peut-elle être produite ?

  Quel peut être l’effet d’une onde de choc sur un solide, par exemple sur le verre ? Comment peut-on l’expliquer ?

► Réponses :

► Propagation du son dans l’air :

-  Le son dans l’air résulte de la propagation d’une variation de pression (compression et dépression) des molécules qui constituent l’air.

-  Cette variation de pression se propage dans toutes les directions à partir de la source.

-  Le son est une onde longitudinale : la direction de propagation est parallèle à la direction de la perturbation.

► Critique de la représentation schématique de la propagation du son :

-  Le son se déplace dans l’espace dans toutes les directions.

-  Sur le schéma, l’onde sonore se propage dans une seule direction. De plus, les échelles ne sont pas respectées.

► Propagation du son dans les solides et les gaz :

-  L’état solide est un état condensé (comme l’état liquide) alors que l’état gazeux est un état dispersé.

-  Le son se propage  plus  rapidement  dans  les milieux condensés que dans les gaz,

-  car les vibrations se propagent mieux dans les milieux où il existe des liaisons entre les entités microscopiques.

-  La célérité d’une onde dans un milieu dépend de son inertie.

-  Plus l’inertie du milieu est grande et plus la célérité de l’onde se propageant dans ce milieu est faible.

-  La célérité d’une onde dépend de la rigidité du milieu dans lequel elle se propage.

-  Plus le milieu est rigide et plus grande est sa célérité.

► Une onde de choc : définition :

-  Une onde de choc est un type d’onde associée à une transition brutale.

-  Une onde de choc est créée lorsque la matière se déplace plus vite que l’onde qu’elle crée dans le milieu considéré.

-  Exemple :

-  Dans l’air une onde de choc est produite par un avion lorsqu’il se déplace plus vite que la vitesse de l’onde sonore qu’il produit.

-  Le claquement d’un fouet est dû au fait que l’extrémité du fouet se déplace plus vite que le son se propage dans l’air.

► Effet d’une onde de choc sur un solide :

-  Lors du passage de l’onde de choc dans un solide, les particules qui constituent le solide (molécules ou atomes) vibrent avec une grande amplitude.

-  Si l’amplitude est trop grande, la limite d’élasticité du solide est atteinte est le solide se brise.

-  Ainsi une vitre en verre peut se briser.

2)- Observation de la voie lactée dans différents domaines.

► Illustration :

 

-  La voie lactée se présente sous différents aspects suivant le domaine d’observation.

-  Les cartes ci-dessus ont été obtenues pour des domaines spectraux différents.

-  Émission radio (autour de 1,0 m dans le vide) :

-  l’émission provient principalement d’électrons de haute énergie que l’on retrouve dans l’environnement des supernovæ (étoiles qui explosent en fin de vie).

-  Émission dans l’infrarouge lointain (10 à 100 μm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement des poussières, du milieu interstellaire, réchauffées par les étoiles nouvellement formées.

-  Émission dans l’infrarouge moyen (5 à 10 μm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement de molécules interstellaires complexes (cycles aromatiques) portées à haute température par le rayonnement des étoiles.

-  Émission dans le proche l’infrarouge (800 nm à 5 μm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement des étoiles moins chaudes que le Soleil.

-  Émission dans le visible (400 nm à 800 nm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement des étoiles dont la température est proche de celle du Soleil.

-  Émission dans le domaine des rayons X (1 nm à 5 nm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement des nuages de gaz chauds.

-  Émission des rayonnements gamma (inférieur à 12 fm dans le vide) :

-  l’émission provient principalement des collisions entre les protons du gaz interstellaire et les rayons cosmiques produits par les pulsars (étoile à neutrons tournant sur elle-même et émettant des ondes électromagnétiques).

► Questions :

  Sur un diagramme associant les rayonnements électromagnétiques cités dans le texte et leurs longueurs d’onde dans le vide, indiquer les objets de la Voie Lactée à l’origine des émissions dans chaque domaine.

  Rappeler la relation entre la longueur d’onde dans le vide λ₀ d’une radiation lumineuse et sa fréquence ν.

  Parmi les rayonnements électromagnétiques cités dans le texte, quel est celui qui correspond à la plus grande fréquence ?

  Rappeler la relation entre l’énergie d’un photon associé à un rayonnement et sa longueur d’onde λ₀ dans le vide.

  Parmi les rayonnements électromagnétiques cités dans le texte, quel est celui qui correspond à la plus grande énergie ?

  Quel est l’intérêt d’observer dans d’autres domaines que le visible ? Illustrer la réponse à l’aide d’un exemple.

► Réponses :

► Diagramme associant les rayonnements électromagnétiques cités dans le texte et leurs longueurs d’onde dans le vide :

 

►  Relation entre la longueur d’onde dans le vide λ₀ d’une radiation lumineuse et sa fréquence ν :

-  La longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse est donnée par la relation :

-   

-  La longueur d’onde λ d’une radiation électromagnétique dépend du milieu de propagation de l’onde,

-  alors que la fréquence ν de la radiation est indépendante du milieu de propagation.

► Longueur d’onde et fréquence :

-  De la relation précédente, on peut déduire que :

-  Plus la longueur d’onde est petite, plus la fréquence associée est grande et inversement.

-  Le rayonnement de plus grande fréquence ν est celui qui a la plus petite longueur d’onde dans le vide λ₀.

-  Le rayonnement qui a la plus grande fréquence est le rayonnement gamma ν > 10²⁰ Hz.

► Relation entre l’énergie d’un photon associé à un rayonnement et sa longueur d’onde λ₀ dans le vide :

-  E = h . ν

-  La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,62 x 10 ^{– 34}  J.s.

-  L’énergie E s’exprime en joule (J) et la fréquence ν en hertz (Hz)

► Rayonnement et énergie :

-  Le rayonnement qui a la plus grande énergie est celui dont la fréquence est la plus grande.

-  C’est celui dont la longueur d’onde dans le vide λ₀ est la plus petite.

-  Le rayonnement le plus énergétique est le rayon gamma γ.

►  Intérêt d’observer dans d’autres domaines que le visible :

-  Les corps célestes émettent des rayonnements dans divers domaines de longueurs d’onde, c’est-à-dire dans divers domaines de fréquence.

-  Les diverses observations sont de ce fait complémentaires.

-  L’observation de l’Univers dans le domaine des rayons X permet de détecter des corps célestes invisible dans le domaine du visible, dans le domaine de l’infrarouge, de l’ultra-violet,…

-  Il est possible de caractériser certains corps célestes grâce aux types de rayonnements qu’ils émettent.

-  Les étoiles froides émettent dans le domaine de l’infrarouge et les nuages de poussière émettent dans le domaine des ondes radio.