Ondes électromagnétiques - Académie de Lyon

PRÉSENTATION
|Titre |La lumière et les ondes électromagnétiques, aspects |
| |historiques |
|Type |activité documentaire historique en classe entière |
|d'activité | |
|Objectifs de |Illustrer comment, dans l'histoire des sciences, ont été |
|l'activité |découvertes les ondes électromagnétique et comment la |
| |lumière a pu être considérée comme un cas particulier d'onde|
| |EM. |
|Références par|Cette activité illustre le thème : HABITAT |
|rapport au |et le sous thème : La communication au service de l'habitat |
|programme |en classe de Tale STL et Tale STI2D |
| |Notions et contenus |Compétences attendues |
| | | |
| |Ondes |Classer les ondes électromagnétiques |
| |électromagnétiques. |selon leur fréquence et leur longueur |
| |Spectre des ondes |d'onde dans le vide. |
| |utilisées en |Positionner le spectre des ondes |
| |communication. |utilisées pour les communications dans|
| | |l'habitat. |
| |Champ électrique, |Définir et mesurer les grandeurs |
| |champ magnétique |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 EM en un point à|
| | |la puissance et à la distance de la |
| | |source. |
|Conditions de |Prérequis : |
|mise en ?uvre |connaître la définition et l'unité de la fréquence. |
| |connaître la relation entre fréquence, célérité et longueur |
| |d'onde. |
| |Durée : 15 min de correction |
| |Contraintes matérielles : cette activité peut marquer le |
| |début de l'étude des ondes électromagnétiques. |
|Remarques |Cette activité s'insère dans la progression suivante : |
| | |
| |Activité 1 : La lumière et les ondes électromagnétique, |
| |aspects historiques |
| |Activité 2 : Les ondes utilisées pour les télécommunications|
| |sont-elles des ondes sonores ? |
| |Activité 3 : Comment une télécommande communique-t-elle avec|
| |un téléviseur ? |
| |Activité 4 : Comment produire des ondes radio ? Comment les |
| |recevoir ? |
|Auteur |Tristan RONDEPIERRE |Académie de LYON | La lumière et les ondes électromagnétiques, aspects historiques Objectifs de cette activité :
< Donner aux élèves des repères historiques sur la connaissance de la
lumière.
< Énoncer que la lumière est un cas particulier d'onde
électromagnétique.
< Délimiter le domaine visible. Déroulement de l'activité : Cette activité peut être traitée à la maison.
Sa correction en classe entière peut marquer le début du chapitre consacré
à l'électromagnétisme.
Pour illustrer quelques uns des phénomènes cités dans le document
historique, l'enseignant pourra réaliser quelques expériences qualitatives
(à propos de la diffraction notamment, phénomène éventuellement inconnu des
élèves).
La lumière : quelques repères historiques
Depuis que la science préoccupe l'humanité, la nature de la lumière est une
des questions essentielles à laquelle les physiciens ont tenté de répondre.
Cette question est toujours d'actualité, puisque plusieurs descriptions de
la lumière coexistent aujourd'hui, complémentaires mais reposant sur des
théories différentes ! Les rayons visuels :
Un des premiers modèles sensés décrire la vision des objets par nos
yeux est celui du « rayon visuel » : il s'agit d'un rayon émis par nos
yeux en direction de l'objet observé, et qui permet sa vision. De
l'Antiquité au Moyen-âge, des savants ont défendu cette description de
la vision. On considère que c'est le mathématicien irakien IBN AL-
HAYTHAM (965 - 1039) dont une partie de l'?uvre fut traduite en latin
sous le nom d'ALHAZEN qui a prouvé l'inexistence des rayons visuels.
Pour lui, on ne voit les objets que s'ils réfléchissent et diffusent
la lumière du Soleil qui les éclaire. Descartes et le modèle géométrique :
Depuis l'antiquité on décrit le trajet de la lumière comme une ligne
(droite dans les milieux homogènes) appelée « rayon lumineux » ou
« rayon de lumière ». René DESCARTES (1596 - 1650), philosophe,
mathématicien et physicien français, a fait de cette description de la
lumière une théorie construite appelée l'optique géométrique. Cette
description de la lumière est toujours utilisée pour décrire certains
phénomènes, notamment le fonctionnement des instruments d'optique
usuels (microscope, lunette astronomique, etc.). Huygens et le modèle des ondes lumineuses
Christian HUYGENS (1629 - 1695), physicien néerlandais, observe que la
lumière peut être diffractée, c'est-à-dire « éparpillée » lorsqu'elle
est interceptée par un obstacle. Ce phénomène avait été observé depuis
longtemps pour les ondes sonores, les ondes à la surface de l'eau,
etc., et avait été appelé la diffraction. Par analogie, Huygens
postule donc que la lumière peut être décrite comme une onde : une
« onde lumineuse ». Maxwell et les ondes électromagnétiques
James Clerk MAXWELL (1831 - 1879) est le théoricien de
l'électromagnétisme. Il s'agit d'une branche de la physique qui étudie
les interactions électriques et magnétiques. Par le calcul, Maxwell a
établi que si sa théorie était juste, il pouvait exister des « ondes
électromagnétiques », c'est-à-dire la vibration simultanée d'un champ
électrique et d'un champ magnétique, qui se propage dans l'espace.
Pour Maxwell, les ondes électromagnétiques nécessitent un milieu pour
se propager. Maxwell postule que la lumière n'est qu'un cas
particulier d'onde électromagnétique. Hertz et les ondes radio Heinrich Rudolf Hertz (1857, 1894), ingénieur allemand, est considéré
comme celui qui a apporté la preuve expérimentale des prévisions de
Maxwell. En effet, il a créé des ondes électromagnétiques à l'aide
d'un dispositif appelé « oscillateur de Hertz » (et qui équivaut
approximativement à ce que nous appelons aujourd'hui une antenne). Les
ondes électromagnétiques générées par Hertz n'étaient pas visibles.
Cependant Hertz a pu mesurer leur célérité : environ 300 millions de
mètres par seconde dans l'air de l'atmosphère terrestre.
Einstein et le modèle des photons
Au début du XXème siècle, les physiciens ont observé un phénomène
mystérieux et encore inexpliqué appelé « l'effet photoélectrique ».
Pour expliquer ce phénomène, Albert EINSTEIN (1979 - 1955) postule que
la lumière est constituée de « grains » qui transportent une énergie
mais qui n'ont pas de masse. Il les appelle les photons. Cette
hypothèse est à l'origine de la physique quantique, une des théories à
la base de la physique contemporaine.
Exemples de questions : a) Proposer un argument, issu de votre expérience quotidienne, qui
permette de réfuter la notion de « rayon visuel ».
b) En classe de 2nde, vous avez étudié la « réfraction de la lumière » :
il s'agit du phénomène qui décrit comment un rayon de lumière change de
direction lorsqu'il change de milieu. Lequel des modèles de la lumière
cités ci-dessus avez-vous utilisé pour cette étude ?
c) Quelle observation est à l'origine de l'idée consistant à décrire la
lumière comme une onde ?
d) On considère que Maxwell est le premier à énoncer que la lumière est
une onde électromagnétique mais que c'est Hertz qui l'a prouvé
expérimentalement. Qu'est-ce qui prouve, dans ses travaux, que la
lumière est une onde électromagnétique ?
e) D'après vos connaissances, comment les physiciens ont-ils notamment
rendu hommage à Heinrich Rudolf Hertz ?
f) Une des prévisions de Maxwell est aujourd'hui considérée comme fausse.
Laquelle ?
g) Les ondes électromagnétiques que l'?il peut percevoir constituent ce
qu'on appelle « le domaine visible ». Les fréquences des ondes
appartenant au domaine visible sont comprises entr