Utiliser les animations en classe

fiche pédagogique sur l'animation "Le rayonnement électromagnétique"

 

Présentation de l'animation "Le rayonnement électromagnétique"

Cliquer sur l'image pour lancer l'animation.



En démarrant sur une question banale " Pourquoi il fait chaud au Soleil ? ", l'animation nous fait voyager dans le monde des objets étranges que sont les ondes électromagnétiques. Par souci de pédagogie, l'animation définit ce qu'est une onde en général en se basant sur les ondes mécaniques qui sont plus abordables intuitivement. Les grandeurs qui caractérisent une onde (amplitude, période et longueur d'onde) sont définies puis, les ondes mécaniques sont mises en parallèle avec les ondes électromagnétiques en précisant bien que celles-ci ne transportent pas de la matière mais de l'énergie. Cette énergie sert entre autres à réchauffer les corps dans le cas des ondes électromagnétiques. Après avoir éclairci ces notions, l'animation permet de comprendre ce qu'est une onde électromagnétique à travers la lumière visible, principalement émise par le Soleil, les UV et les IR. Enfin la nature duale de la lumière, qui se comporte tantôt comme une onde (onde électromagnétique), tantôt comme une particule (photon) est expliquée. Suivant la longueur d'onde de la lumière, celle-ci ne transportera pas la même énergie et n'aura donc pas le même effet sur la matière qu'elle rencontre. Son énergie, d'autant plus grande que sa longueur d'onde est faible, peut chauffer la matière (ce qui répond à la question du début), soit l'exciter, soit casser les liaisons moléculaires. L'animation se termine par la notion d'émission de rayonnements électromagnétiques par des objets comme la Terre non visibles à l'œil nu mais détectables par des satellites sensibles aux infrarouges, point qui est développé dans l'animation " Rayonnement et énergie".

 

Textes de référence

 

Place dans les programmes de Sciences physiques

4ème - Bulletin officiel spécial n° 6 du 28 août 2008

La lumière : couleurs, images, vitesse.

Lumières colorées et couleur des objets : comment obtenir des lumières colorées ?

La lumière blanche est composée de lumières colorées.

En absorbant la lumière, la matière reçoit de l'énergie. Elle s'échauffe et transfère une partie de l'énergie reçue à l'extérieur sous forme de chaleur.


2nde - Bulletin officiel spécial n° 4 du 29 avril 2010

L'univers

Les étoiles : l'analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l'utilisation de systèmes dispersifs. Les spectres d'émission et d'absorption : spectres continus d'origine thermique, spectres de raies (savoir qu'un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température).

Dispersion de la lumière blanche par un prisme : réfraction. Lois de Snell-Descartes.

Option Sciences et laboratoire  - Bulletin officiel spécial n° 4 du 29 avril 2010

Atmosphère terrestre

Rayonnement solaire (mots clefs : arcs-en-ciel, effet de serre, protection solaire)

1èreS - Bulletin officiel spécial n° 9 du 30 septembre 2010

Couleur, vision et image : Comment l'œil fonctionne-t-il ? D'où vient la lumière colorée ? Comment créer de la couleur ? Absorption, diffusion, transmission.

Sources de lumière colorée : Domaines des ondes électromagnétiques (connaître les limites en longueur d'onde dans le vide du domaine visible et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets).

Couleur des corps chauffés : loi de Wien (exploiter la loi de Wien, son expression étant donnée).

Interaction lumière-matière : émission et absorption (interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière. Connaître les relations   et  et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d'énergie. )

 
Terminale S - Bulletin officiel n°4 du 30 août 2001

Ondes progressives

Propagation d'une onde, ondes mécaniques progressives : définir une onde mécanique et sa célérité, influence du milieu, reconnaître une onde progressive périodique et déterminer sa période et sa fréquence, relier la période à la vitesse et à la longueur d'onde, phénomène de diffraction et de dispersion.

La lumière, modèle ondulatoire : savoir que la lumière se comporte comme une onde dans certains cas notamment lorsqu'elle subit le phénomène de diffraction, étude quantitative de la diffraction de la lumière par une fente ou un obstacle, situer les rayonnements ultraviolets et infrarouges par rapport au spectre visible, savoir que la fréquence d'une radiation monochromatique ne change pas lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre, savoir que les milieux transparents sont plus ou moins dispersifs, définir l'indice d'un milieu transparent pour une fréquence donnée.

Evolution temporelles des systèmes mécaniques

L'atome et la mécanique de Newton, ouverture au monde quantique : quantification des échanges d'énergie, savoir que l'énergie de l'atome est quantifiée et que la mécanique de Newton ne permet pas d'interpréter cette quantification, connaître et exploiter la relation , application aux spectres.


Terminale S - programme de physique-chimie en classe de terminale de la série S- Bulletin officiel n°8 du 13 octobre 2011
Ondes et matière

Partie Observer -  Ondes et matières : rayonnements dans l'univers, les ondes dans la matière, détecteurs d'ondes (mécaniques et électromagnétiques) et de particules (photons, particules élémentaires ou non). Caractéristiques et propriétés des ondes.

Partie Comprendre-  Lois et modèles : Énergie, matière et rayonnement : transferts quantiques d'énergie, dualité onde-particule.

Découpage de l'animation

 

Chapitre 1 : Introduction de la notion de rayonnement électromagnétique à partir de quelques exemples de ses manifestations. Ses sources.

Chapitre 2 : Le rayonnement électromagnétique issu d'une source transporte de l'énergie.  C'est sous cette forme que le Soleil transmet son énergie.

Chapitre 3 : Qu'est-ce qu'une onde ?

C'est une propagation d'énergie sans transport de matière. Exemples d'ondes mécaniques : la houle, le son, les ondes sismiques.

Ce concept est appliqué aux ondes électromagnétiques : vibration d'un champ électrique et d'un champ magnétique sans nécessité de milieu matériel.

Le transport d'énergie est illustré dans le cas de la houle où l'énergie potentielle augmente au passage de l'onde.

Chapitre 4 : Les grandeurs caractéristiques des ondes sont expliquées et illustrées sur un graphique: amplitude, période, longueur d'onde.

Chapitre 5 : L'élève peut faire varier les paramètres, amplitude, période, longueur d'onde et mesurer les conséquences sur l'onde.

Chapitre 6 : Les ondes électromagnétiques.

Les caractéristiques et effets de ces ondes auxquelles appartiennent la lumière visible, les ultraviolets et infrarouges entre autres sont cités.

Selon la longueur d'onde, l'énergie transportée par l'onde n'est pas la même et ses effets sur la matière diffèrent.

Chapitre 7 : Le spectre de la lumière visible est présenté sur un graphique. Il  illustre une distribution de Planck (luminance en fonction de la longueur d'onde) pour le Soleil (T=5750 K) avec le pourcentage d'émission selon les différentes zones du spectre (UV, visible, IR).

Chapitre 8 : La dualité onde-particule de la lumière est illustrée par un parallèle avec la forme de l'ombre d'un cylindre qui diffère selon la direction d'éclairement alors que l'objet reste le même.

Ce chapitre précise la relation entre énergie et longueur d'onde. Les différentes conséquences sur la matière suivant l'énergie de la lumière reçue sont exposées.

Chapitre 9 : Le rayonnement émis par les corps n'est pas toujours visible.

La Terre émet également des rayonnements électromagnétiques, mais dans les infrarouges.

 

Suggestions d'exploitation pédagogique en classe
 

Classes concernées : 1èreS (interaction lumière - matière) et Terminale S (ondes progressives)

Objectifs : le but de cette activité est de sensibiliser l'élève à la notion d'onde ainsi qu'à ses caractéristiques et ses paramètres. Ainsi l'élève peut relier les paramètres de l'onde (fréquence et longueur d'onde) à sa vitesse de propagation et à l'énergie transportée. L'application de ces connaissances aux ondes électromagnétiques (lumières en terme général) permet d'appréhender l'effet de la lumière du Soleil sur la Terre (réchauffement, processus chimiques chez les végétaux et processus de rupture moléculaires pour les rayonnements les plus énergétiques).

Organisation : l'enseignant doit passer intégralement l'animation et proposer l'activité 1 pour évaluer ce que les élèves ont retenu de la notion d'ondes électromagnétiques. Quelques questions ne trouvent pas directement les réponses dans l'animation, ce qui peut amener le professeur à distribuer des documents, livre de cours ou donner un accès internet aux élèves. L'activité 2 nécessite que chaque élève (ou groupe d'élèves) ait accès individuellement à l'animation sur l'applet N°5 afin de faire varier les différents paramètres et consigner ses observations. L'activité 3 quant à elle nécessite l'accès à l'applet N°8 mais l'animation ayant une valeur informative, celle-ci peut être uniquement projetée sur un écran du poste du professeur (par vidéoprojecteur). Ces activités peuvent être menée intégralement ou par parties, peuvent faire l'objet d'une évaluation, être uniquement une séance de travaux dirigés qui peut soit affermir les connaissances acquises par les élèves dans ce domaine, soit servir d'activités introductives aux chapitres qui y sont reliés. 


Activité 1     

1.    Par quel type de transfert de chaleur le Soleil réchauffe-t-il la Terre ?

2.    Une onde nécessite-t-elle obligatoirement un milieu matériel pour se propager ?

3.    Une onde mécanique nécessite-t-elle un milieu matériel élastique pour se propager ?

4.    Définir une onde longitudinale. Donner un exemple.

5.    Définir une onde transversale. Donner un exemple.

6.    Lors de la propagation d'une onde à la surface de l'eau, l'eau se déplace-t-elle dans le sens de la propagation ? Qu'est-ce qui est transmis dans le sens de la propagation ?

7.    Qu'est ce qui oscille lors de la propagation d'une onde électromagnétique ? Citer différents domaines de ces ondes en fonction de leur longueur d'onde dans le vide.

8.    La vitesse de propagation de la lumière dans le vide dépend-elle de sa longueur d'onde ?

9.    Quelles sont les grandeurs qui caractérisent une onde ?

10.    Quels sont les domaines du rayonnement électromagnétique de part et d'autre du rayonnement visible ? Dans quel domaine du spectre électromagnétique le Soleil émet-il principalement ?

11.    La Terre émet-elle de la lumière ? Dans quel domaine ?


Activité 2


Dans l'animation, placez-vous sur le chapitre N°5. Vous pouvez visualiser une onde (à une dimension) qui se propage, vous pouvez faire varier la période T, la longueur d'onde lambda et l'amplitude A de cette onde.

  • Fixez une valeur de A et de lambda. Faites varier la période et observez les variations de vitesse de propagation de l'onde. Que pouvez-vous en déduire quant à la vitesse de propagation v  en fonction de la période T ? (v augmente lorsque T diminue et vice-versa)
  • Fixez une valeur de A et de T. Faites varier la longueur d'onde ? et observez les variations de vitesse de propagation de l'onde. Que pouvez-vous en déduire quant à la vitesse de propagation v en fonction de la longueur d'onde lambda ? (v augmente lorsque lambda augmente et vice-versa)
  • Fixez une valeur de T et de lambda. Faites varier l'amplitude et observez les variations de vitesse de propagation de l'onde. Que pouvez-vous en déduire quant à la vitesse de propagation v en fonction de l'amplitude A ? (v ne dépend pas de l'amplitude A)


Voici un tableau donnant  pour une onde progressive périodique se propageant dans un milieu matériel, différentes longueurs d'ondes correspondant à différentes périodes.
               

  • Calculer pour chaque couple longueur d'onde-période la vitesse v de propagation de l'onde (v=lambda/T). Définir un milieu dispersif. Le milieu est-il dispersif pour l'onde en question ?


Activité 3

Se placer sur le chapitre n°8 de l'animation.

On donne le tableau suivant de l'énergie d'un photon pour différentes longueurs d'onde.

 

Energie du photon E en Joules 5,16x10-15 2,16x10-16 3,83x10-17 1,58x10-20 2,56x10-22
Longueur d'onde λ en m 3,86x10-9 9,21x10-8 5,20x10-7 1,26x10-5 7,78x10-2
Produit Exλ          

 

  • Calculez pour chaque couple énergie-longueur d'onde le produit Exlambda. Que remarquez-vous ? Calculez le produit de la vitesse de la lumière (c=3x108 m.s-1) par la constante de Planck (h=6,63x10-34 J.s). Exprimez l'énergie d'un photon en fonction de sa longueur d'onde.
  • Calculez l'énergie transportée par un photon en infrarouge lambda = 10µm, en lumière visible lambda = 650nm, en ultraviolet lambda = 200 nm. Qu'en déduisez-vous quant à l'énergie des photons et ses conséquences dans les 3 interactions présentées dans l'applet N°8 ?

 

 

Ressources complémentaires

 

Bibliographie

" Météorologie, 100 expériences pour comprendre les phénomènes météo " de Yves Corboz (Editions Belin-Pour la Science-2008).

" La météo, le spécialiste junior " de John Woodward (Editions Gründ-2008).

Sitographie

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/index.htm

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/saga.htm