Sous-thème : Procédés physiques de transmission - Académie d ...

|Thème : AGIR - Défis du XXIème siècle |
|(Sous-thème : Procédés physiques de transmission). |
|Type de ressources : |
|Pistes d'activités illustrant des notions du programme et permettant un |
|approfondissement. Références bibliographiques et sitographie. |
|Notions et contenus : |
|Propagation libre et guidée, transmission par câble, transmission par |
|fibre optique : notion de mode, transmission hertzienne. |
|Compétences travaillées ou évaluées : |
|Exploiter des informations. |
|Nature de l'activité : |
|Activité documentaire. |
|Résumé : |
|Les élèves disposent de documents (textes, schémas, représentations |
|graphiques, description d'une expérience). Ils doivent exploiter les |
|informations données dans les documents pour comprendre et comparer |
|trois procédés physiques de transmission de l'information. |
|Mots clefs : Propagation, libre, guidée, modulation, réflexion totale, |
|mode propre, dispersion modale, mesure de célérité. |
|Académie où a été produite la ressource : Académie d'Orléans-Tours. |
|http://physique.ac-orleans-tours.fr/ | Propagation libre et guidée : Etudes de quelques procédés physiques de
transmission de l'information Conditions de mise en ?uvre : ( Une préparation de cette activité documentaire par les élèves eux-mêmes
est fortement préconisée en amont de la séance, ce qui doit permettre de
traiter l'intégralité de l'activité documentaire proposée en une durée
raisonnable (1 h 30 min par exemple). Cette activité ne requiert pas
nécessairement une séance à effectif réduit et peut quasiment constituer la
conclusion du sous-thème Transmettre et stocker de l'information du thème
Agir du programme de Physique-Chimie de terminale S. ( Pour traiter cette activité, les élèves disposent d'un porte-documents à
partir duquel se travaille la compétence Exploiter des informations ; trois
coups de pouces ont été également prévus. Le document n°1 peut servir de
situation déclenchante. Dans cet esprit, la vidéo du document n°1 peut être
visualisée et discutée avec les élèves, rapidement avant ladite séance.
C'est l'occasion de faire émerger des questionnements sur l'origine du
décalage entre le son et l'image constaté à la fin de la question de la
journaliste et de préciser aux élèves les attentes pour la préparation de
cette activité. ( La première partie est consacrée à la mise en exergue de quelques
généralités sur le sujet traité et à la compréhension des termes "libre" et
"guidée" affectés à la propagation des ondes. Dans une deuxième partie, les
élèves étudient de manière qualitative la transmission de l'information par
voie hertzienne : les modulations d'amplitude et de fréquence ainsi que le
rôle de la couche ionosphérique sont abordés. Dans une troisième partie (
la plus longue (, la transmission de l'information par fibre optique est
traitée. Après quelques questions très classiques concernant la réflexion
totale, les notions de "mode propre" et d'"atténuation" dans une fibre
optique sont proposées. Cette partie permet aussi de mettre en évidence
l'intérêt de la fibre optique monomode et propose d'aborder, si le
professeur le souhaite, la technique du multiplexage actuellement utilisée.
La transmission de l'information par câble coaxial est proposée dans une
quatrième partie assez rapide : procédé physique et mesure de la célérité
d'une onde électromagnétique à travers le diélectrique d'un tel câble
constituent les deux temps forts de cette partie. La cinquième et dernière
partie est une conclusion qui permet de comparer les différents types de
transmission étudiés. Enfin, en complément, un exercice à caractère
quantitatif sur la dispersion modale est proposé. ( Simultanément, il est intéressant de :
- visualiser les animations [1] ou [2] proposées dans la sitographie dans
un but d'explications renforcées et animées ;
- de réaliser en "direct" l'expérience décrite dans le document n°6
(expérience réalisée avec un câble coaxial d'impédance caractéristique
ZC = 50 ?, la résistance en sortie étant ajustée aussi à 50 ? pour ne
pas avoir une réflexion en sortie du câble coaxial). Extrait du BO : |Notions et contenus |Compétences exigibles |
|Procédés physiques de transmission |Exploiter des informations pour |
|Propagation libre et propagation |comparer les différents types de |
|guidée. |transmission. |
|Transmission : | |
|- par câble ; | |
|- par fibre optique : notion de | |
|mode ; | |
|- hertzienne. | | Compétences travaillées :
( Compétences du préambule du cycle terminal : Extraire et organiser
l'information utile, mettre en ?uvre un raisonnement, mobiliser ses
connaissances, maîtriser les compétences mathématiques de base,
communiquer à l'écrit.
( Compétences "extraire et exploiter" : Modélisation, exploitation
qualitative, communication en tant que scientifique. Prérequis :
( Physique : loi quantitative de Snell-Descartes relative à la
réfraction ; notions qualitatives sur la diffraction ; relation vitesse-
distance-durée ;
( Mathématiques : trigonométrie de base.
Propagation libre et guidée : Etudes de quelques procédés physiques de
transmission de l'information Répondre aux questions en extrayant des divers documents mis à disposition
les informations les plus pertinentes. 1. Généralités.
A. Citer plusieurs "familles" d'ondes électromagnétiques.
B. Quelle est la différence entre une propagation libre et une propagation
guidée ?
2. Transmission de l'information par voie hertzienne.
A. Indiquer comment générer très simplement une onde hertzienne à partir
d'une tension et comment générer très simplement une tension à partir
d'une onde hertzienne.
B. Placer sur l'organigramme ci-dessous du principe de la modulation
d'amplitude les numéros des éléments constitutifs suivants :
( information transmise, ( tension basse fréquence (signal modulant ou
signal informatif), ( sélecteur d'ondes électromagnétiques, (
modulateur, ( démodulateur, ( information à transmettre, ( tension
haute fréquence.
C. Comparer la modulation d'amplitude et la modulation de fréquence
(avantages / inconvénients).
D. Déterminer l'ordre de grandeur de la taille d'une antenne réceptrice
d'ondes hertziennes de fréquence f = 1.102 MHz.
Donnée : Célérité de l'onde hertzienne dans l'air : c = 3,0.108
m.s(1.
E. Sur le schéma ci-dessous, représenter de manière simple :
- En bleu la façon dont se propagerait depuis l'émetteur une onde
porteuse hertzienne modulée en amplitude de fréquence typique
f = 2.102 kHz ;
- En rouge la façon dont se propagerait depuis l'émetteur une onde
porteuse hertzienne modulée en fréquence de fréquence typique
f = 1.102 MHz
[pic]
F. Quel(s) phénomène(s) physique(s) peut-on associer à l'extrait
souligné suivant : "Plus généralement, plus la fréquence de l'onde
émise est élevée, plus l'onde est directive, plus le signal est stable
mais moins l'onde peut se propager loin car très sensible à
l'environnement (maison, immeuble, météo, ...). Dans le cas des
téléphones portables, la fréquence typique est de 1 000 MHz, ces ondes
ne possèdent pas une capacité à franchir les obstacles, ce qui donne
l'impression que leur portée est faible en milieu encombré, comme la
ville par exemple ..." ? Justifier brièvement.
3. Transmission de l'information par fibre optique et notion de modes
propres de propagation.
A. De la réfraction à la réflexion totale.
On rappelle le schéma classique pour illustrer ce phénomène de réfraction
de la lumière à l'interface entre deux milieux transparents d'indices de
réfraction n1 et n2. On se place dans le cas où n2 < n1. a. Indiquer sur le schéma l'angle d'incidence i1 et l'angle de réfraction
i2. Rappeler la loi de Snell-Descartes unissant ces angles puis
justifier l'inégalité i1 < i2.
b. Quelle valeur maximale peut prendre l'angle de réfraction i2 ? Montrer
que si i2 = 90° alors i1 LIM = arcsin[pic] (Cette valeur particulière
i1LIM de l'angle i1 est appelée "angle de réfraction limite").
c. Quel phénomène physique a lieu si i1 > i1 LIM ? Expliquer alors le
principe physique de propagation d'un rayon lumineux dans une fibre à
saut d'indice. B. Différentes fibres optiques.
Que signifie "à saut d'indice" par rapport "à gradient d'indice" pour
une fibre optique ?
C. Notion de modes propres de propagation, dispersion modale et émergence
d'un premier avantage de la fibre monomode.
a. Que représentent les modes propres de propagation ? Les fibres n°1 et
n°2 du document n°3 sont-elles monomodes ou multimodes ? Justifier
brièvement votre choix.
b. Expl