Ondes et matière : Les détecteurs d'ondes - Physique Chimie - Terminale S

Ondes et matière : Les détecteurs d'ondes - Physique Chimie - Terminale S

Découvrez ici un cours de Physique Chimie de Terminale S, rédigé par notre professeur, consacré aux détecteurs d'ondes. Ce cours s'inscrit dans le thème "Ondes et matière", et plus particulièrement dans le chapitre "Ondes et particules".

Les ondes sont partout autour de nous, elles peuvent être artificielles et permettent de transporter des données, ou naturelles et présenter un danger. A titre d'information ou de prévention, il est nécessaire de pourvoir les détecter. Dans ce cours de Physique Chimie, vous apprendrez à connaître les différents types de détecteur d'onde, mais aussi à comprendre leur fonctionnement.

Téléchargez gratuitement ci-dessous ce cours de Physique Chimie niveau Terminale S sur les détecteurs d'ondes.

Ondes et matière : Les détecteurs d'ondes - Physique Chimie - Terminale S

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Prérequis

Avoir consulté les cours « Rayonnements dans l'Univers » et « Les ondes dans la matière » pour bien connaitre les différents types d'onde et leurs sources d'émission.

Objectifs

  • Comprendre la nécessité de savoir détecter les ondes et particules
  • Connaitre les différents types de détecteur
  • Comprendre leur fonctionnement

I. Un détecteur, mais pour quoi faire ?

Globalement, un détecteur est un appareil permettant de convertir un effet physique en grandeur électrique qui peut ensuite être quantifié et interprété. Un détecteur a de nombreuses utilisations. La plus importante et la plus répandue est son utilisation pour la prévention et la détection des risques. Que ce soit les détecteurs d'ondes sismiques ou de radiation, ou encore le simple détecteur de fumée que l'on possède maintenant tous chez soi, le but est de détecter le danger. Nos yeux et nos oreilles sont eux aussi des détecteurs pouvant nous avertir d'un danger, mais il est physiquement impossible pour ces derniers de détecter des particules, des ondes mécaniques sous notre seuil de perception ou encore des ondes électromagnétiques en dehors de la lumière visible. C'est pourquoi les détecteurs sont là pour prévenir le danger en détectant les informations non visibles par l'homme.

D'un autre côté, un détecteur est aussi là pour informer. En reprenant le corps humain, nos yeux, nos oreilles ou encore notre nez nous permet d'identifier notre environnement extérieur. Dans le domaine du non visible, les scientifiques ont développé de nombreux détecteurs permettant de détecter les rayonnements de l'univers. En analysant ces rayonnements, il est possible de déterminer son origine et d'obtenir des informations sur les constituants de sa source d?émission, sa distance etc.

Chaque détecteur est spécifique à l'onde ou aux particules qu'il est capable de détecter, il en existe donc pour tous les types d'ondes connues. Ici, nous allons en citer quelques un en divisant les détecteurs en trois catégories : les détecteurs d'ondes mécaniques comme le son et les vibrations, les détecteurs d'ondes électromagnétiques comme la lumière et autres rayonnements et les détecteurs de particules comme les détecteurs de fumée.

II. Les détecteurs des ondes mécaniques

A. Le sismographe

1. Les ondes sismiques

Les ondes sismiques sont des ondes mécaniques qui se propagent dans la matière terrestre à partir d'un foyer d'ondes sismiques.  Le point qui se trouve à la verticale du foyer est l'épicentre du séisme. À partir du foyer, les ondes se propagent dans toutes les directions de l'espace. Ces ondes sont détectées par plusieurs sismographes répartis de manières stratégiques à différents endroits. Une onde sismique ne mettra alors pas le temps pour atteindre chacun des appareils. Les séismologues déterminent ensuite la distance de chacun des sismographes avec le foyer d'émission et peuvent ainsi déterminer la position de ce dernier. De plus, pour obtenir une représentation complète du mouvement de la Terre, il faut le mesurer dans trois directions perpendiculaires. Les sismographes sont par conséquent souvent déployés par groupes de trois. Chaque sismographe enregistre les mouvements du sol suivant un axe de l'espace. C'est-à-dire l'axe Nord-Sud, Est-Ouest et la verticale (de haut en bas).

2. Principe du sismographe

Les sismographes captent et enregistrent les vibrations causées par les ondes sismiques et l'enregistrement visuel ainsi produit s'appelle un sismogramme. Avant d'être modernisé pour faire des mesures électroniques, cet appareil était grossièrement composé d'une partie fixe et d'une partie mobile indépendante.

Le socle de l'appareil et le cylindre enregistreur sont fixés au sol et vibrent en cas de secousse suivant le mouvement du sol. La masse suspendue tend à rester immobile. La masse solidaire du socle se déplace donc par rapport au cylindre enregistreur, ce qui crée un signal.

Schéma : Fonctionnement d'un sismographe - Physique Chimie Terminale SFonctionnement d'un sismographe

B. Le microphone

L'oreille humaine nous permet de détecter les sons, le tympan vibre sous l'effet d'un son et produit un signal électrique nerveux transmis au cerveau afin qu'il puisse être interprété. Un microphone fonctionne de la même manière et permet de détecter les ondes sonores. Ce dernier est composé d'une membrane, d'une bobine de fil électrique et un aimant. Le son fait vibrer la membrane qui est reliée à la bobine entourant l'aimant. Le déplacement de la bobine à proximité de l'aimant va créer une tension électrique qui va pouvoir convertie en données.

III. Les détecteurs d'ondes électromagnétiques

A. La pellicule photographique

Avant le développement des appareils photos numériques, la pellicule photographique était l'élément essentiel des appareils photographiques. Son principe est d'être composée de plusieurs couches dont une qui possède la caractéristique d'être sensible à la lumière. Cette couche constituée d'halogénures d'Argent va subir des modifications dans sa structure en fonction de l'énergie des photons reçus. Une emprunte va ainsi être obtenue sur la pellicule et plusieurs opérations chimiques vont ensuite permettre de révéler l'image ainsi piégée.

La photographie numérique repose sur les mêmes principes que la photographie avec pellicule. L'image n'est plus saisie sur une pellicule mais par un capteur photosensible. Ce dernier ne voit pas sa structure modifiée par action de la lumière, mais les photons rencontrant le capteur vont arracher des électrons à chacun de ses éléments actifs. Lors de l'appui sur le déclencheur de l'appareil, l'obturateur protégeant le capteur s'ouvre afin de laisser passer la lumière par l'objectif qui va fournir une image nette du sujet à photographier au film ou au capteur numérique. La quantité de lumière entrante est déterminée par le temps durant lequel l'obturateur va rester ouvert et par la taille de l'ouverture du diaphragme.

B. Les satellites

En tant que détecteurs, les satellites peuvent être séparés en deux catégories, ceux dirigés vers la terre et ceux orientés vers le reste de l'Univers.

Le satellite est dans une position idéale pour observer la Terre. Placé sur une trajectoire adaptée, il dispose d'un champ d'observation qui peut embrasser un hémisphère terrestre entier. Il est capable de photographier une zone de la surface terrestre avec une régularité et une précision très élevée permettant de mettre en évidence rapidement des changements. Les satellites observent la Terre dans un but scientifique (température de la mer, manteau neigeux, sécheresse'), économique (ressources naturelles, agriculture...) ou militaire (espionnage). Le spectre d'observation est vaste et s'étend à toute les longueurs d'ondes pouvant traverser l'atmosphère : visible, radio, infrarouge, ultraviolet, écoute de signaux radioélectriques.

Les satellites dirigés vers le reste de l'Univers permettent d'observer tous les rayonnements filtrés par l'atmosphère et ne pouvant être détectés depuis la terre. Seuls des télescopes montés sur des satellites permettent d'étudier entre autres les rayonnements gamma et X. Ces télescopes détectent dans le domaine du visible aussi en s'affranchissant des perturbations atmosphériques et de la pollution lumineuse auxquels sont confrontés les télescopes terrestres.

Ces détecteurs fonctionnement selon le principe de l'effet photoélectrique comme les capteurs des appareils photo numériques ou encore les panneaux solaires.

Les panneaux solaires et les cellules photovoltaïques utilisent l'effet photoélectrique pour générer directement de l'énergie électrique à partir de la lumière du Soleil. Cette énergie sert également aux navettes spatiales pour leur fournir une pile au silicium.

IV. Les détecteurs de particule

A. Le compteur Geiger

Le compteur Geiger, aussi appelé compteur Geiger-Müller, est un instrument de mesure qui permet de détecter certains rayonnements et particules ionisantes (particules alpha, bêta ou rayons gamma et X, mais pas les neutrons) et donc de déceler la radioactivité.

Le compteur Geiger-Müller est un cylindre métallique creux rempli de gaz. Lorsqu'une particule chargée émise par la source radioactive pénètre à l'intérieur du cylindre, le gaz s'ionise sur son passage. Autrement dit, il arrache des électrons par effet photoélectrique. Ces électrons arrachés se multiplient très vite en ionisant à leur tour les molécules de gaz le long de leur trajet pour donner une « avalanche d'électrons », dite avalanche de Townsend. Ces électrons donnent un signal électrique qui, après amplification, est enregistré et se traduit par une indication visuelle.

B. Détecteur de fumée

Le détecteur de fumée domestique le plus efficace et le plus répandu est le détecteur de fumée optique. Il est composé d'une diode électroluminescente LED émettrice de lumière, et d'un récepteur, une cellule photoélectrique. La LED produit une lumière dans la chambre, de façon à ce qu'elle n'atteigne pas la cellule photoélectrique. Quand de la fumée pénètre dans le détecteur, la lumière produite par la LED se reflète sur les particules de fumée. Le faisceau de lumière va alors toucher la cellule photoélectrique. Par effet photoélectrique, la cellule va transformer la lumière en un courant électrique puis en avertissement sonore.

Le petit + dans ta copie

Pensez à vous poser les bonnes questions : Pourquoi ce détecteur ? A quoi sert-il vraiment ? Quelle catastrophe empêche-t-il ? Vous pouvez aussi illustrer son fonctionnement par un schéma.

Pour aller plus loin

Regarder n'importe quel film de catastrophe naturelle, comme San-Andreas : avant la catastrophe, celle-ci sera détectée par l'appareil adéquat (souvent par le héros).

Fin de l'extrait

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