Image et ondes - pedagogie.ac-limoges.frpedagogie.ac-limoges.fr/physique-chimie/IMG/pdf/images_ondes.pdf · jeu dans un dispositif utilisant l'énergie solaire dans l'habitat ; donner

Image et ondes Les modules "image" et "ondes " de l'enseignement de spécialité en STL SPCL sont complémentaires par les modèles physiques auxquels ils font appel. Ainsi en 1ère, on fait davantage appel au modèle corpusculaire de la lumière alors qu'en terminale, c'est le modèle ondulatoire qui est prépondérant. Complémentaires dans les applications envisagées, en 1ère on se centre sur la production des images, les objets (capteurs, appareils imageurs, …) et la physique qui y est associée, alors qu'en terminale l'accent est mis sur les ondes, leur propagation et leur utilisation dans différents champs de la physique. Schématiquement, on peut représenter les deux modules du programme par le schéma ci‐dessous.

"L'image est devenue aujourd'hui un "objet" scientifique et technologique complexe qui contribue à la compréhension du monde et favorise le partage de l'expérience intellectuelle, fondement des progrès des sciences".

Le module « image » ne vise pas à explorer toute la dimension technologique liée aux images mais à montrer le lien et l'enrichissement mutuel entre "science" et "image" : la science et la technologie ont permis et permettent la production de nouveaux types d'images (images numériques, images en fausses couleurs, images 3D …) et, en retour, les images contribuent à la construction de nouveaux savoirs et à l'analyse de phénomènes physiques (image du fond cosmologique, analyse IR d'une habitation …). L'ordre de présentation du module n'est pas une progression imposée. Cependant, la première partie "d'une image à l'autre" trouve naturellement sa place en tout début d'année de 1ère. En effet, elle survole le champ d'étude qui sera celui des autres parties en introduisant une dimension sociétale et

Séminaire STL octobre 2013 1

culturelle sur l'image. La visite d'un musée, d'une exposition peuvent être tout à fait appropriées pour introduire ce module. C'est aussi l'occasion d'aborder les aspects juridiques du droit à l'image et du droit d'auteur, voire des pratiques addictives liées aux écrans. Le professeur de physique‐chimie n'est ni un juriste ni un neurologue ou pédopsychiatre; aussi on n'attend pas de lui une expertise dans ces domaines mais une capacité à sensibiliser les élèves, à éveiller leur attention et peut‐être à prévenir certaines pratiques ou dérives. http://www.cnil.fr/documentation/fiches‐pratiques/fiche/article/lutilisation‐de‐limage‐des‐personnes/ http://www.ac‐besancon.fr/spip.php?article1075 Le module très complet sur les ondes fait écho au module "image" en proposant une étude physique des phénomènes liés à la production, à la propagation et à l'utilisation des ondes. Comme pour le module "image" l'ordre du programme n'est pas une progression pédagogique mais la première partie "les ondes qui nous environnent" est l'occasion de survoler les différents champs qui seront investis en cours d'année. Il est donc judicieux de le traiter en premier, sans approfondissement des notions, en mettant en évidence quelques faits prémisses des études futures: ‐ des vibrations sont à l'origine des ondes oscillations dans quelques champs de la physique ; ‐ les ondes se propagent sous la forme d'une simple perturbation ou avec une périodicité

milieux de propagation, double périodicité, passage d'un milieu dans un autre ; ‐ le milieu de propagation peut être libre ou imposer des contraintes (guidage) ; ‐ une onde transporte de l'énergie : les modèles corpusculaire (retour vers "image") et

ondulatoire. Des ponts peuvent être établis entre cet enseignement et le tronc commun de physique ‐ chimie. Un travail de concertation entre les professeurs assurant les deux enseignements s'avèrerait bénéfique et permettrait peut‐être de mieux gérer le temps global imparti à la physique. Parties du programme d'enseignement commun de physique‐chimie en STI2D/STL en lien avec "image" et "ondes".

Enseignement commun de physique‐chimie en première STI2D et STL Notions et contenus Capacités exigibles

thème HABITATSources lumineuses. Flux lumineux ; longueur d’onde, couleur et spectre.

Utiliser un capteur de lumière pour mesurer un flux lumineux. Positionner sur une échelle de longueurs d’ondes les spectres de différentes lumières : visible, infrarouge et ultraviolette. Relier les unités photométriques à la sensibilité de l’œil humain. Exploiter les caractéristiques d’une source d’éclairage artificiel : efficacité énergétique, classe d’efficacité énergétique ; température de couleur, indice de rendu des couleurs (IRC).

thème SANTEOndes mécaniques : ondes progressives. Associer la propagation d’une onde à un transfert

d’énergie sans déplacement de matière. Distinguer une onde longitudinale d’une onde transversale. Définir quelques grandeurs physiques associées à une onde mécanique : célérité, amplitude, période, fréquence, longueur d’onde.


http://www.cnil.fr/documentation/fiches-pratiques/fiche/article/lutilisation-de-limage-des-personnes/

http://www.cnil.fr/documentation/fiches-pratiques/fiche/article/lutilisation-de-limage-des-personnes/

http://www.ac-besancon.fr/spip.php?article1075

Onde ultrasonore – transducteur ultrasonore.Réflexion – transmission.

Mesurer la célérité d’une onde sonore ou ultrasonore. Déterminer expérimentalement des distances à partir de la propagation d’un signal. Associer les énergies transmises et réfléchies à la nature des différents milieux.

Ondes électromagnétiques ; rayonnements gamma, X, UV, visible, IR.

Classer les ondes électromagnétiques selon leur fréquence, leur longueur d’onde dans le vide et leur énergie.

Absorption et transmission des ondes électromagnétiques.

Analyser qualitativement l’influence d’un milieu sur la transmission d’une onde électromagnétique.

Le rayonnement laser. Protection contre les risques du rayonnement laser.

Extraire d’une documentation les principales caractéristiques d’un laser et les différents types de soins effectués à l’aide des lasers. Mettre en évidence expérimentalement les propriétés d’un faisceau laser en respectant les consignes de sécurité.

Enseignement commun de physique‐chimie en terminale STI2D et STL

Notions et contenus Capacités exigibles

Thème HABITAT

Énergie solaire : conversions photovoltaïque et thermique. Modèle corpusculaire de la lumière, le photon. Énergie d'un photon.

‐ Citer les modes d'exploitation de l'énergie solaire au service de l'habitat. ‐ Schématiser les transferts et les conversions d'énergie mises en jeu dans un dispositif utilisant l'énergie solaire dans l'habitat ; donner des ordres de grandeur des échanges. ‐ Interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière. ‐ Mettre en œuvre une cellule photovoltaïque. Effectuer expérimentalement le bilan énergétique d'un panneau photovoltaïque.

Thème SANTE

Ondes électromagnétiques.Spectre des ondes utilisées en communication. Champ électrique, champ magnétique.

‐ Classer les ondes électromagnétiques selon leur fréquence et leur longueur d'onde dans le vide. ‐ Positionner le spectre des ondes utilisées pour les communications dans l'habitat. ‐ Définir et mesurer les grandeurs physiques associées à une onde : période, fréquence, longueur d'onde, célérité. ‐ Énoncer qu'une onde électromagnétique se propage dans le vide.‐ Décrire la structure d'une onde électromagnétique : champ magnétique, champ électrique. ‐ Relier qualitativement le champ électrique d'une onde électromagnétique en un point à la puissance et à la distance de la source.

Ondes électromagnétiques ; rayonnements gamma, X, UV, visible, IR.

‐ Classer les ondes électromagnétiques selon leur fréquence, leur longueur d'onde dans le vide et leur énergie. ‐ Expliciter la dépendance entre la puissance rayonnée par un corps et sa température. ‐ Exploiter le lien entre la température d'un corps et la longueur d'onde pour laquelle l'émission de lumière est maximale.

Réflexion, absorption et transmission des ondes électromagnétiques.

‐ Associer l'absorption d'une onde électromagnétique à la nature du milieu concerné.



Objectifs pédagogiques et ressources mises à disposition. La pratique d'une démarche scientifique constitue le cœur des apprentissages de physique‐chimie en STL SPCL et donc sous‐tend toute démarche pédagogique. "Faire de la physique" c'est tout d'abord s'interroger, s'étonner, se questionner, et ensuite désirer comprendre. Le questionnement initial est indispensable pour mettre "en mouvement" une pensée, s'engager dans une démarche qui se veut tout d'abord réflexive avant l'appel au matériel et à l'expérience. Ainsi "L'expérience […] acquiert un statut qui la distingue fondamentalement de celui d'un protocole fourni à un exécutant qui doit le respecter sans percevoir l'objectif et les finalités des actions". L'expérience confronte, dans la démarche proposée, les représentations initiales, les hypothèses, les possibles au réel ; elle participe à la construction d'un modèle et découvre ses limites. Les ressources proposées abordent différents thèmes du programme. Elles ne se présentent pas comme des documents "clés en main" utilisables directement en classe. Elles ne sont pas des "cours prêts à l'emploi". Ainsi certaines proposent des études de documents avec des questions. Ces questions fournissent des indications, des pistes vers lesquelles le professeur pourra s'orienter s'il utilise la ressource ; mais il construira sa séance pour que l'élève ne soit pas soumis à un guidage strict qui le placerait dans un rôle d'exécutant sans objectifs visibles et explicites. Une appropriation par les enseignants de ces ressources est nécessaire avant toute utilisation.

Classe : 1ère STL Enseignement :

PHYSIQUE et CHIMIE EN LABORATOIRE

THEME du programme :

Module « IMAGE »

Sous‐thèmes :

D’UNE IMAGE A L’AUTRE

Auteurs : Emilie SPONY et Philippe LEICHTNAM, académie de Besançon

Réflexions & pistes sur le sous‐thème : D’UNE IMAGE A L’AUTRE

Problématique générale de la séquence :

Comment ouvrir le module « image » en passant d’une image à l’autre ? Les modes de constructions et les utilisations des images sont variées, aussi, pour en saisir le sens, on prendra soin de toujours situer l'image dans son contexte (social, historique). Afin de donner aux élèves les outils qui leur permettront de décrypter le sens d'une image, on trouvera dans les activités proposées ici, quelques pistes pour une approche historique et transdisciplinaires (liens avec les arts et les autres sciences). Remarque : Les phénomènes physiques mis en œuvre dans le mode de construction d'une image pourront servir de prétexte pour aborder les notions du programme de la classe de première en lien avec les autres disciplines.

Organisation de la séquence :

Durée : 3 h + visite au musée

Position dans la progression de l’année : en ouverture du module image

Titre des activités décrites dans la ressource :

- Activité 1 : Construction d’une échelle temporelle relatant l’évolution de l’« image » - Activité 2 : Recherches sur les significations et les rôles des images.


Description de l’activité 1

Comment les images ont‐elles évolué au cours du temps ?

Problématique de l’activité : Les images, en tant que construction humaine, sont ''multiples'' : Les modes de constructions sont variés et ont évolué dans le temps. La recherche de nouveaux modes de constructions s'est faite à partir des connaissances scientifiques d'une époque donnée, mais cette recherche a parfois permis de vérifier la validité de certaines théories sur la lumière. Lors de cette activité il sera proposé aux élèves d'aborder quelques éléments de procédés techniques mis en œuvre, et de saisir comment l'être humain est capable de se servir de ces techniques pour laisser libre cours à son imagination à travers la création artistique. De cette manière pourra émerger un lien entre art et science.

Objectifs visés :

Ouvrir le cours de sciences physiques à la culture artistique. Insister sur l’importance de la maîtrise des phénomènes optiques pour réaliser des images dans

différents domaines (scientifiques, artistiques, communication …)

Type d'activité :

Visite au musée : questionnaire à compléter Au cours de cette séance, les élèves effectuent une visite au musée des beaux‐arts. Celle‐ci aura été préalablement préparée par l’enseignant et le guide pour sélectionner des images aux contenus variés, caractéristiques d’époques particulières. Le professeur aura conduit avec ses élèves une réflexion préalable pour élaborer un questionnaire à remplir au fil de la visite.

Activité de conception d’un document de communication : réalisation d’une échelle temporelle mettant en évidence les dates clés pour l’ « image »

Au CDI, par groupe de 4, réaliser un diaporama chronologique relatant l’évolution de l’« image » au cours du temps. On repèrera les périodes et dates clés pour l’image et on précisera le support auquel chaque image est associée.

Au cours de la première heure, vous effectuerez des recherches exclusivement livresques puis vous pourrez utiliser les ressources numériques pour élaborer votre diaporama et compléter éventuellement vos recherches.

Le diaporama sera finalisé puis présenté : La présentation ne dépassera pas 10 minutes par groupe Chaque membre du groupe interviendra à l’oral pour développer l’exemple de son choix. Le temps de parole sera équilibré entre les membres du groupe.

Conditions de mise en œuvre :

Conditions matérielles : musée ouvert aux lycéens à proximité

Pré‐requis : aucun


Extrait du BOEN :

NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES

- Aspect historique de l’image - Repérer sur une échelle temporelle quelques périodes ou dates clés pour l’image et les associer à un support : peintures rupestres, peintures à l’huile, photographie, cinéma, télévision, vidéo, etc

Compétences transversales :

Rechercher, extraire, organiser des informations utiles Travailler en équipe Communiquer


Description de l’activité 2 : Signification et rôles des images

Problématique de l’activité :

Toute image a une (des) fonction(s) spécifique(s). Cette activité propose d'approfondir, le rôle d'une image dans un contexte donné.

Remarques :

On pourra commencer par exploiter les images étudiées lors de la visite au musée.

Cette activité ne se déroule pas forcément de manière linéaire en une seule séance; elle peut aussi servir de trame de lecture utilisable à tout moment dans l'année en fonction des thèmes abordés.

Objectifs visés :

Saisir le sens (la fonction) d'une image dans son contexte. Comprendre que des images différentes peuvent donner différentes informations sur un même

objet

Type d'activité :

Activité documentaire : observations puis interprétations d’images sous différentes formes. (voir document en Annexe 2)

Des images (Lune, organe, main, ADN,) sont proposées aux élèves :

� des images d’ « objets » différents ; � des images différentes d’un même « objet ».

Conditions de mise en œuvre :

Travail de recherche documentaire : reproduction des images étudiées au musée et document

proposé. Pré‐requis : aucun

Extrait du BOEN :

NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES

- Typologie d’images - Fonctions de l’image - Droits d’auteurs, droit à l’image

- Reconnaître la fonction d’une image donnée - Distinguer « image enregistrée » et « image fabriquée » - Identifier et commenter la nature de l’information

contenue dans une image scientifique simple - Adopter un comportement citoyen par rapport au droit

d’auteur et au droit à l’image


Compétences transversales :

Rechercher, extraire, organiser des informations utiles

Mots clés de recherche : image, art, information

Provenance : Académie de Besançon

Adresse du site académique : http://missiontice.ac‐besancon.fr/sciences_physiques/index.php


ANNEXE 1 : Quelques pistes de réflexions

Réflexion sur le rôle de l'image On peut distinguer différents rôles : - Esthétique

Ex : un tableau peint, une photographie d’art … - Symbolique

Ex : une image ''pieuse'' - Informative (signalétique, descriptive, codée)

Ex : Signalétique : Un logo sécurité de produit chimique Descriptive : Une représentation de la structure de l'ADN

Codée : Un QR code des applications ''mobile tag'' des téléphones mobiles

Réflexion sur la distinction ''image fabriquée'' / ''image enregistrée'' Une première approche amène à distinguer l'image réalisée par l'être humain à partir de l'observation (et/ou de l'imagination et l'interprétation), de celle enregistrée par un appareil photographique. ‐ L'observation ''pure'' (objective) n'existe pas; il y a toujours le ''passage'' par la sensibilité de celui qui perçoit et qui ''transcrit''.

‘’La Méridienne” (1866) crayon noir et pastel

de Millet

“La Sieste” (1890)

peinture de Van Gogh

‐ L'interprétation de celui qui fait une image permet de faire ressortir des détails à des fins informatives (descriptives).


Par exemple : Une planche (dessinée) d'anatomie est plus facilement ''lisible'' qu'une photographie (idem pour les plantes).

http://membres.multimania.fr/lalitterature2007/enluminure%20page%2002%20pigments%2004%20vegetaux.html

http://www.codina.net/huile_pastel.shtml

Réflexion sur la formation de l'image La possibilité d'enregistrement d'une image repose sur l'interaction (couplage) entre le phénomène à observer (détecter) et un processus d'enregistrement. Le couplage est réalisé par une source externe (rayonnement électromagnétique) ou/et par une émission ''spontanée'' de rayonnement par le phénomène. L'image obtenue n'est donc qu'une image de l'objet (phénomène) parmi d'autres images possibles. Ex : Images de la lune sous différents rayonnements. Ex : L'obtention de l'image d'un objet à l'aide d'un microscope électronique nécessite un traitement

préalable de l'objet (application d'une couche d'or par diffusion). On distingue différentes formes d'enregistrement de l'image en fonction de la nature du support:

� Support électronique : Fichier numérique (l’information est codée) � Support physique : Procédé physico‐chimique (film, papier, plaque de verre).

Dans ce cas on pourra aussi évoquer les différents procédés mis en œuvre (approche historique‐scientifique) pour restituer la couleur : Synthèse additive (procédé Autochrome, C. Maxwell, 1861), procédé interférentiel (Gabriel Lippmann, 1894), synthèse soustractive (procédé Kodachrome, 1930).


ANNEXE 2 : Images choisies

Images possibles pour représenter l’ ADN


Images extraites du « Hors‐série N°104 ‐ Sciences et Avenir ‐ décembre 1995 ‘’Voir l’invisible’’ »


Images d’une main obtenues avec un appareil photo numérique et une caméra thermique

Laquelle représente le mieux la réalité ?

Images de l’intérieur



Différentes images de la Lune

a. La pleine lune, en UV (© ASTRO‐2 UIT) b. La pleine lune, en visible (© Galileo) c. Le dernier quartier, en IR P (© Galileo) d. La pleine lune, en radio (© NRAO/VLA) e. La pleine lune, en IR moyen (© MSX) f. Le premier quartier en rayon X (© MPE/ROSAT)

g. La lune en rayons : le champ de cette image est 80 fois plus grand que celui aux autres longueurs d’onde (© NASA/CGRO/EGRET)

http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/multiwavelength_astronomy/multiwavelength_museum/moon.html





La Lune

dessinée par Galilée, photographiée


Interprétation du phénomène d’interférence à partir d’une image numérique

Thèmes :

TRANSMETTRE ET STOCKER L’INFORMATION CARACTERISTIQUES ET PROPRIETES DES ONDES

Type de ressources : Utilisation d’un logiciel de traitement d’image pour interpréter une figure d’interférences lumineuses. Notions et contenus : Images numériques Caractéristiques d’une image numérique : pixellisation, codage RVB et niveaux de gris. Propriétés des ondes Interférences. Cas des ondes lumineuses monochromatiques, cas de la lumière blanche. Couleurs interférentielles. Compétences travaillées ou évaluées : Images numériques Associer un tableau de nombres à une image numérique. Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un capteur (caméra ou appareil photo numériques par exemple) pour étudier un phénomène optique. Propriétés des ondes 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. Nature de l’activité : ACTIVITE EXPERIMENTALE Résumé : Quelques pistes pour exploiter le phénomène d’interférence à l’aide d’un logiciel de traitement d’image. Mots clefs : interférences lumineuses, webcam, pixel, niveau de gris, codage RVB Académie où a été produite la ressource : BESANCON


1. Montage expérimental :

2. Exemples de figures d’interférences observées :

D = 10 cm D = 30 cm D = 50 cm

3. Traitement de l’image obtenue avec "ImageJ" Logiciel téléchargeable gratuitement à l’adresse suivante :

http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html

a. Suppression du fond lumineux Après avoir ouvert dans imageJ l’image « interférences » étudiée ainsi que l’image « fond », il est possible de soustraire le fond à l’image observée. Une nouvelle image s’ouvre automatiquement nommée « result of interférences ».


http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html

b. Mise à l’échelle réelle de l’image

Connaissant les dimensions du capteur (par visée ou consultation de la notice) et le nombre de pixels, il est possible de déterminer la taille d’un pixel. On peut alors mettre l’image fournie par la webcam à l’échelle.



c. Tracé de l’« intensité lumineuse » en fonction de la distance X le long d’une ligne Y fixe

Le graphique représentant l’ « intensité lumineuse » en fonction de la distance X s’ouvre automatiquement dans une nouvelle fenêtre.

sur la ligne Y = 193° pixel sur la ligne Y = 290° pixel

Remarque : Lorsque la ligne choisie est située dans un domaine où l’intensité lumineuse est élevée, on peut observer la saturation de certains pixels.

4. Interférences en lumière blanche Dans ce cas, il peut être intéressant d’exporter les valeurs obtenues vers un tableur.

Après sauvegarde du fichier obtenu, il suffit d’ouvrir le bloc note pour réaliser un copier-coller vers le tableur des coordonnées RVB correspondant à chaque pixel de l’image. On peut alors tracer les 3 courbes correspondant aux couleurs restituées par les 3 types de pixels.


5. Conversion d’une image couleur en niveau de gris :



L’image en Niveaux de gris apparaît automatiquement.

Une fois l’image convertie en niveaux de gris (NdG), il est possible de reproduire l’opération du 4 pour récupérer la valeur NdG qui correspond à chaque pixel. À l’aide du tableur on peut vérifier que pour passer du codage RVB au codage NdG, le logiciel imageJ effectue un calcul pondéré selon la norme CIE :

NdG = 0.299×R + 0.587×V + 0.114×B Cette pondération tient compte de la sensibilité relative des trois cônes présents sur la rétine et traduit notamment la plus grande sensibilité de notre œil dans le vert.

T SPCL Activité LIDAR RADAR

Fiche de présentation de la ressource

Auteurs : Sylvie Tchenio, [email protected]

Olivier Seys, [email protected]

Classe : Terminale STL SPCL Enseignement : Physique et chimie en laboratoire

THEME du programme :

• Des ondes pour observer et mesurer

• Utiliser l’énergie transportée par les ondes

Sous-thème :

Voir plus loin Mesurer

Sonder l’atmosphère avec des lasers

Extrait du BO

NOTIONS ET CONTENUS CAPACITÉS

• Diffusion • Décrire le principe de détection à distance de particules en suspension dans l’atmosphère

• Laser • Mesurer une distance par télémétrie laser

• Ondes polarisées et non polarisées

• Associer la polarisation d’une onde électromagnétique à la direction du champ électrique

• Télescope • Exploiter le tracé d’un faisceau de lumière pour décrire le fonctionnement du télescope

Compétences transversales Rechercher, extraire, organiser des informations utiles Mettre en relation ces informations entre elles et avec son propre savoir

Type de ressource Activité documentaire (en classe et à la maison)

Organisation de la séquence Durée : 1h Position dans la progression de l’année : Cette séquence intervient en fin d’année et permet de réinvestir les connaissances acquises sur la lumière polarisée, le télescope, le laser. Déroulement pédagogique : • Les élèves lisent en amont de la séance les documents fournis pour s’approprier les informations

et effectuer les recherches nécessaires. • En classe entière, Mise en commun orale des réponses et rédaction de la trace écrite.

Mots clés de recherche : diffusion, laser, Lidar, télescope, polarisation

Lumière et son et d'une façon plus générale, ondes électromagnétiques et ondes acoustiques — sont à la base de nombreux outils utilisés pour des objectifs analogues. Vous connaissez certainement le sonar pour la détection sous-marine, mais savez-vous qu'il existe un équivalent pour la lumière, le lidar, employé en particulier pour détecter et analyser la pollution atmosphérique ? Radar (RAdiowave Detection And Ranging), Lidar (Light Detection And Ranging), sont fondés sur le même principe de télédétection : une impulsion (électromagnétique pour le radar et le lidar,


mailto:[email protected]


ultrasonore pour le sonar ou sonore pour le sodar) est envoyée sur une cible qui la réfléchit. La distance séparant l'émetteur et la cible est déduite de la durée de parcours aller- retour de l'onde. I - LE RADAR

Document 1 Lorsque l'onde atteint un objet dont la surface est irrégulière (le fond de la mer, un nuage de pollution, etc.), on détecte la rétro- diffusion, c'est-à-dire la fraction de l'onde diffusée dans la direction opposée à celle du faisceau incident Le radar et le lidar mettent en œuvre tous les deux des ondes électromagnétiques, mais ce sont des micro-ondes qui sont employées dans les radars, alors que les lidars fonctionnent avec la lumière visible, le rayonnement proche infrarouge ou le proche UV. Sons et lumière B Valeur 2008 Belin

Les radars sont bien connus pour leur utilisation à la télédétection d'avions ou de bateaux, à des fins non seulement militaires mais aussi civiles (la régulation du trafic aérien et du transport maritime).

En météorologie, les radars fondés sur l'effet Doppler détectent les zones de précipitation et mesurent la vitesse à laquelle les perturbations se déplacent. Une antenne rotative émet pour cela des impulsions de micro-ondes : la fraction des ondes réfléchies par les gouttes de pluie vers l'antenne est détectée, tandis que la mesure de la variation de fréquence due à l'effet Doppler indique si la pluie s'éloigne ou s'approche de l'antenne. La détection des vents tournants des tornades par ce moyen est fort utile.



II -LE LIDAR

Document 2 : Sonder l’atmosphère avec un laser

http://smsc.cnes.fr/CALIPSO/Fr/GP_mission.htm

Figure 2 a

Figure 2b

http://loawww.univ-lille1.fr/Accueil/fr/science_pour_tous_fichiers/laserweek/poster.pdf Les lidars mettent à profit la directivité des faisceaux lasers. L'impulsion que ces derniers délivrent est en effet diffusée et éventuellement absorbée par les molécules et les particules présentes dans l'atmosphère (les aérosols). Une fraction de la lumière est rétrodiffusée vers la source, à proximité de laquelle est disposé un télescope associé à un détecteur : l'analyse de la lumière rétrodiffusée permet d'obtenir des informations sur la concentration et la distribution de taille des particules en suspension. Le suivi de la pollution particulaire de l'atmosphère au-dessus d'une agglomération est ainsi possible. Pour la détection de l'ozone ou de polluants (comme le dioxyde d'azote, NO2, par exemple), on emploie des lidars à «absorption différentielle» (ou DIAL): ils délivrent deux impulsions laser à des longueurs d'onde différentes. L'une est absorbée par les molécules à détecter, tandis que l'autre ne l'est




pas ou peu, et sert de référence. La comparaison des deux signaux rétrodiffusés fournit la concentration en espèce absorbante. Dans certains cas, l'absorption de la lumière par des molécules est en outre suivie d'une émission de lumière (la fluorescence). Une impulsion lumineuse de longueur d'onde 535 nm est par exemple envoyée par le laser d'un lidar sur des feuilles d'arbres. L'absorption de cette lumière par la chlorophylle est suivie d'une émission de fluorescence (λ <535 nm), collectée par le système de détection du lidar. Embarqué dans un avion, ce dernier permet d'estimer l'activité photosynthétique des arbres et de cartographier les zones où la végétation est endommagée par la pollution. Selon le même principe, la chlorophylle du phytoplancton ou la phycoérythrine des cyanobactéries dans le plancton sont détectées dans les océans en vue d'évaluer la biomasse.

Document 3 : Diffusion de la lumière LASER Chaque particule ou molécule diffuse la lumière Laser dans toutes les directions suivant une indicatrice de diffusion qui dépend de sa taille, de sa forme, de son indice de réfraction, etc. Le paramètre de taille (x) qui est proportionnel au rapport entre le rayon (r) et la longueur d’onde incidente (λ) est essentiel afin de connaître le régime de diffusion élastique : Rayleigh (molécules) ou Mie (particules, gouttelettes).

Figure 3 : Diagramme polaire ou indicatrice de diffusion

Lidar Géophysique Pierre H. Flamant (École d’été lidar géophysique, Aspet, 23 juin au 2 juillet 2010)

Sur les diagrammes polaires, l’intensité de la lumière diffusée est représentée en coordonnées polaires par un vecteur centré sur le diffuseur, sa longueur est proportionnelle à l’intensité et sa direction indique l’angle de diffusion. On observe une symétrie de révolution autour de l’axe de propagation de la lumière Laser pour des diffuseurs sphériques. Il s’agit d’une diffusion élastique : la lumière diffusée a la même longueur d’onde que la lumière laser incidente



Document 4 : Mission du satellite Calipso Le but de la mission est de fournir des mesures globales des aérosols et des nuages nécessaires pour arriver à une meilleure compréhension du rôle des aérosols et des nuages dans le climat, et pour améliorer nos capacités à prédire les changements de climat à long terme ainsi que les variations climatiques saisonnières ou interannuelles. L'ensemble des instruments CALIPSO mesure les distributions verticales des aérosols des nuages dans l'atmosphère, ainsi que les propriétés optiques et physiques des aérosols et des nuages, qui influencent le bilan radiatif de la Terre.

Des mesures passives aux mesures actives Les techniques classiques d'observation des nuages et des aérosols depuis l'espace mesurent le rayonnement visible ou infrarouge réfléchi par les cibles. Elles sont dites "passives" par opposition aux techniques "actives" pour lesquelles l'instrument est lui-même à la source du rayonnement utilisé pour sonder une cible. Or, parce qu'ils sont fins et souvent associés à des structures multi-couches, les cirrus échappent le plus souvent à cette imagerie passive. En effet, par principe, les instruments de cette catégorie ne permettent pas de distinguer avec une bonne résolution verticale les différentes couches de nuages ou la superposition d'aérosols et de nuages, ce qui fausse significativement les classifications nuageuses et limite la possibilité d'étudier les interactions entre aérosols et nuages. Si le lidar et le radar sont semblables sur le plan théorique, leurs capacités de détection sont bien différentes du fait de leurs longueurs d’onde très éloignées de part et d’autre de la distribution en taille des particules atmosphériques. La source laser émet un rayonnement visible à 532 nm et proche infrarouge à 1 064 nm, tandis que le radar fonctionne à 94 GHz, soit 3,2 mm. Le lidar est ainsi capable de détecter avec précision le sommet des nuages et la base de ceux qu’il est capable de traverser […..] Les mesures réalisées en ciel clair permettent de détecter les couches d’aérosols, la couche limite atmosphérique, et la surface dont l’écho est utile pour calibrer l’instrument. À 94 GHz les micro-ondes pénètrent les nuages de glace quasiment sans atténuation. Le signal radar [ …...] ne verra pas les aérosols, et sera plus sensible aux nuages de glace qu’aux nuages d’eau liquide. Il détecte également les précipitations. Le radar discerne donc à la fois le sommet et la base des nuages, même épais, mais quand ils ne précipitent pas. »





Document 5

http://loawww.univ-lille1.fr/Accueil/fr/science_pour_tous_fichiers/laserweek/poster.pdf

Document 6 : L’atmosphère






Document 7

Lidar Géophysique Pierre H. Flamant (École d’été lidar géophysique, Aspet, 23 juin au 2 juillet 2010) Document 8 : Le rayon vert « Contrairement à la lumière du Soleil, le "rayon vert" émis par le lidar Caliop de Calipso est totalement polarisé selon une direction. La diffusion atmosphérique modifie cette polarisation incidente et la mesure de cette dépolarisation est riche d'informations sur la nature des particules, en particulier sur leur géométrie. Or l'analyse des mesures au sol a montré que la dépolarisation des nuages de glace dépend fortement de la forme et de l'orientation des cristaux qui les composent. Il est ainsi possible de classer les particules en quatre types selon leurs formes : sphères, plaquettes, colonnes hexagonales ou polycristaux. »





Document 9 : Utilisations du Lidar




En vous appuyant sur les différents documents et sur vos connaissances, répondre aux questions suivantes :

1. Donner le(s) point(s) commun(s) du LIDAR et du RADAR 2. Distinguer le lidar du radar. 3. Donner quelques utilisations des radars. 4. Recenser quelques utilisations du lidar. 5. Différentes techniques « passives ou actives » sont utilisées pour sonder l’atmosphère.

5.1 Quelle la technique mise en jeu dans le lidar ? Dans le radar ? Justifier la réponse 5.2 Expliquer en quoi le radar et le lidar sont complémentaires.

6. Autour du lidar 6.1 Quelles propriétés du laser sont utilisées pour sonder l’atmosphère ?

6.2 Interpréter la courbe du document 2a. 6.3 Quels sont les phénomènes physiques qui accompagnent la propagation d’un

faisceau laser dans l’atmosphère? Lequel est utilisé dans le principe du lidar. 6.4 Quel est intérêt d’utiliser un télescope dans la réception du signal lidar ?

7. Autour de la diffusion

7.1 . Donner quelques sources de particules en suspension dans l’atmosphère. 7.2 . Quels sont les principaux paramètres responsables de la variation de l’intensité du

rayonnement diffusé détecté par le lidar ? 7.3 . Quelle est l’influence de la taille des molécules sur le processus de diffusion ?

Expliquer l’origine de ces tailles différentes.

8. Après avoir rappelé ce qu’est une lumière polarisée, expliquer l’intérêt du « rayon vert » du lidar de Calipso.

9. Dans le domaine acoustique, on utilise également des diagrammes polaires. Citer un

exemple de diagramme polaire en acoustique et précisez son intérêt.

IMAGE et TLV


Fiche de présentation 1ère STL Spécialité module image et ETLV

Notions et contenus Capacités Système optique : objet optique et image optique. - Mettre en oeuvre expérimentalement des

systèmes optiques imageurs ; identifier le rôle des éléments essentiels en les désignant

Faisceaux lumineux : Lentilles minces convergentes. Association de lentilles minces.

- Illustrer expérimentalement et distinguer différents phénomènes associés à la déviation d’un faisceau lumineux ; indiquer les applications associées.

Appareil photographique numérique : mise au point, ouverture, temps de pose.

- Illustrer expérimentalement le principe de mise au point automatique. - Illustrer expérimentalement le principe d’un appareil à visée « réflex ».

La séquence a été effectuée en classe entière en ETLV durant le mois de novembre. Les expériences et simulations illustrant ces notions ont été présentées par l’enseignant.

Les simulations présentées sont extraites de http://www.pierretoscani.com/ http://www.lense.fr/2012/04/20/les-graphiques-interactifs-de-stanford-pour-comprendre-la-science-liee-a-la-photographie/

Place dans la progression du module image :

- 2 séances de 2 h ont permis la prise en main d’un appareil photo numérique réflex et la découverte de l’effet de quelques réglages (choix de la focale, choix de l’ouverture, choix du temps de pose, choix de la sensibilité ISO). L’objectif est d’avoir un point de départ pour les parties 1 : étude des lentilles et du principe de l’appareil photo 2 : étude de la lumière 3 : étude des capteurs et de l’aspect numérique de l’image.

- 1 séance de 2 h a permis d’effectuer une recherche sur l’histoire de l’image et de la photographie. En se basant sur cette recherche, les élèves ont fabriqué et testé une boite noire.

- 3 séances de 2h ont permis d’étudier les lentilles : caractéristiques, formation d’images, formule de conjugaison et grandissement.

- 2 séances d’1h en ETLV sur le principe de l’appareil photo reflex.

Place dans la progression de l’ETLV : - une séance a été faite sur les réglages de l’appareil photo. L’enseignant de physique projette

des photos de l’appareil photo montrant les réglages utilisés et des exemples de photo. L’enseignant d’anglais joue la candide et demande aux élèves des explications. Le vocabulaire est fourni au fur et à mesure des demandes.

- Une séance a été faite sur le même principe pour réutiliser le vocabulaire. Des photos sont projetés. Les élèves doivent expliquer les réglages nécessaires pour les obtenir.

- Une séance a été faite sur la boite noire : Les photos des manipulations d’élèves sont projetées. Ils expliquent à l’enseignant d’anglais comment obtenir un appareil imageur et ce qu’on voit.

- Une séance a été faite sur les lentilles et la formation d’images pour introduire le vocabulaire adaptée.

- 2 séances d’1h en ETLV sur le principe de l’appareil photo Reflex.

Organisation des séances : L’enseignant de physique présente des manipulations ou des simulations. Les élèves essayent d’expliquer ce qu’ils ont compris du fonctionnement de l’appareil photo. On rectifie éventuellement.

http://www.pierretoscani.com/

http://www.lense.fr/2012/04/20/les-graphiques-interactifs-de-stanford-pour-comprendre-la-science-liee-a-la-photographie/

http://www.lense.fr/2012/04/20/les-graphiques-interactifs-de-stanford-pour-comprendre-la-science-liee-a-la-photographie/

IMAGE et TLV

Les élèves disposent d’un document à remplir. Ils notent le vocabulaire nécessaire sans rédiger – l’objectif étant de les faire s’exprimer. Une mise en forme sera à faire à la maison et donnera lieu à une note.

1ère STL speciality physics

HHOOWW AA RREEFFLLEEXX MMAAKKEE AA PPIICCTTUURREE??

I/ WHAT CAN WE FIND INTO A REFLEX

Manipulation : on retire l’objectif et on montre la présence d’un miroir. On le soulève et on voit l’obturateur. Le vocabulaire est fourni.

On montre l’image d’un pentaprisme.

Prisme (pentaprisme) pentaprism

Miroir

Lenses Objectif

mirror

Obturateur shutter

Capteur (pellicule) sensor

Viseur viewfinder

II/ How can I see my subject ?

What about the light?

On visualise l’image de l’animation suivante : http://www.pierretoscani.com/images/echo_shortpres/Figure‐16%20anim.swf Réponse : La lumière entre dans l’objectif, est déviée par un miroir incliné à 45° vers le prisme. Elle subit 2 réflexions dans le prisme avant d’arriver à l’oeil. On demande à un élève de venir au TBI et de représenter le chemin suivi par la lumière. Trait rouge sur le schéma ci‐dessus. The pentaprism is transparent. How can you explain the light is reflected? On montre au tableau magnétique l’existence de la réflexion totale. Réponse : On montre expérimentalement que la lumière arrivant avec un angle suffisamment important sur une surface verre‐air peut se réfléchir sans traverser le verre. On dit qu’il y a réflexion totale. C’est ce phénomène naturel qui est utilisé dans ce prisme. Sa forme est adaptée pour permettre deux réflexions totales. What is the difference between a “reflex” and other cameras? Réponses : Un reflex est un appareil dans lequel on voit l’image qui va se former sur le capteur grâce au miroir et au pentaprisme. Sur un appareil classique, la visée se fait grâce à une lunette additionnelle. En réalité, on vise un petit peu à coté de ce que l’appareil va enregistrer sur la pellicule ou le capteur.


http://www.pierretoscani.com/images/echo_shortpres/Figure-16%20anim.swf

IMAGE et TLV

Sur un compact, le capteur récupère l’image. Elle s’affiche ensuite sur l’écran avec un léger retard. III/ What happens when I take the picture? On visualise l’animation suivante : http://www.pierretoscani.com/images/echo_shortpres/Figure‐16%20anim.swf On revient sur l’appareil photo et on remontre, à l’aide d’un crayon que le miroir peut se soulever. Réponse : Le miroir se lève. La lumière peut alors aller sur le capteur. L’obturateur est constitué de 2 rideaux. Pour assurer une durée d’impression égale sur toute la surface du capteur, ces 2 rideaux fonctionnent de la façon suivante : Le premier se lève. Ensuite le deuxième descend. Le capteur est alors en contact avec la lumière. Lors de cette phase, le haut du capteur est impressionné plus longtemps que le bas. Lorsque l’obturateur se referme, c’est le premier rideau qui retombe. De ce fait, le bas du capteur est obturé en dernier. Cette technique permet une durée d’impression uniforme sur tout le capteur. IV/ We choose a focal. What happens while focusing? On prend l’appareil photo en main et on vise un objet éloigné. On appuie légèrement sur le déclencheur. L’appareil effectue la mise au point. Ensuite, on vise un objet proche. Lors de l’appui sur le déclencheur, on constate que l’objectif se déplace. Réponse : On revient sur les caractéristiques d’images obtenues avec des lentilles convergentes. Qu’est‐ce qu’une image nette ? L’écran (ou le capteur) est placé à l’endroit ou un point objet donnera un point image. Un objet éloigné donne une image proche de la lentille (au foyer objet). Un objet proche de la lentille donne une image éloignée de la lentille – d’où le déplacement de l’objectif observé. VI/ How does the camera focus? How does autofocus work? On revient sur l’appareil photo et on montre, à l’aide d’un crayon que, sous le premier miroir, il y a un deuxième miroir plus petit. http://graphics.stanford.edu/courses/cs178-11/applets/autofocusPD.html ou http://www.pierretoscani.com/images/echo_focus/Figure-17.swf Réponse : Le premier miroir est semi-réfléchissant. Il laisse passer un peu de lumière qui se réfléchit sur le miroir du dessous et est envoyé dans la partie basse de l’appareil photo. L’animation montre que la lumière venant de l’objet va traverser 2 lentilles côte à côte. Ces lentilles vont permettre d’obtenir 2 images sur 2 capteurs différents. Si les 2 capteurs reçoivent la même image, les signaux électriques générés par les 2 capteurs CCD sont identiques. La mise au point est bonne. Si les 2 images ne se superposent pas, les signaux sont différents. L’appareil change la mise au point. On peut signaler que ce mode est dit « passif » et qu’il existe un mode « actif » où l’appareil est émetteur d’un signal (exemple IR) qui se réfléchit sur l’objet visé.



http://graphics.stanford.edu/courses/cs178-11/applets/autofocusPD.html

http://www.pierretoscani.com/images/echo_focus/Figure-17.swf

IMAGE et TLV

1ère STL speciality physics

HHOOWW DDOOEESS AA RREEFFLLEEXX MMAAKKEE AA PPIICCTTUURREE??

I/ What can I find into a reflex?


IMAGE et TLV

imaging nikon.com


IMAGE et TLV

II/ How can I see my subject?

http://www.pierretoscani.com/images/echo_shortpres/Figure‐16%20anim.swf



IMAGE et TLV

The pentaprism is transparent. How can you explain the light is reflected?


IMAGE et TLV

What is the difference between a “reflex” and others cameras ?

Classical camera

Compact camera


IMAGE et TLV

III/ What happens when I take the picture? http://www.pierretoscani.com/images/echo_shortpres/Figure‐16%20anim.swf

IV/ We choose a focal. What happens while focusing?

object

pictureF 'F

object

picture

F 'F

Object Sensor



IMAGE et TLV

V/ How does the camera focus? How does autofocus work?

Document http://www.reportagesphotos.fr


IMAGE et TLV





Documents

Image et ondes - pedagogie.ac-limoges.frpedagogie.ac-limoges.fr/physique-chimie/IMG/pdf/images_ondes.pdf · jeu dans un dispositif utilisant l'énergie solaire dans l'habitat ; donner