Ondes eléctromagnétiques et photons

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Les ondes électromagnétiques et le photon
C

Le V.L.A. (Very Large Array) au Nouveau-Mexique est formé d’antennes paraboliques orientables, disposées au sol selon un immense Y inscrit dans un carré de côté de 30 km. Il capte les ondes radios qui proviennent de l’univers. Dans le traitement d’un cancer par rayonnements, un faisceau de rayons g (gamma) est focalisé pour traiter la tumeur.Les ondes radio, comme le rayonnement g, sont des ondes électromagnétiques qui transportent de l’énergie. Qu’y a-t-il en commun entre ces deux types d’ondes, qu’est-ce qui les différencie ?

OBJECTIFS
• Savoir identifier les différents domaines des ondes électromagnétiques. • Découvrir la nature corpusculaire de la lumière : le photon. • Savoir utiliser la relation qui permet de calculerl’énergie d’un photon : E = h◊n. • Être informé des dangers des ondes électromagnétiques sur la santé.
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Rechercher et expérimenter
Les ondes électromagnétiques, étudiées en classe de Première, comprennent les radiations visibles, infrarouges (IR), ultraviolettes (UV) et les rayons X (RX). Découvrons deux nouveaux domaines d’ondes électromagnétiques, celui des ondes radio et celui des rayonsg, ainsi que l’aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques.

Activité 1 Mettre en évidence des ondes hertziennes
Les ondes hertziennes (ou ondes radio), découvertes à la fin du XIX e siècle par Heinrich Hertz, ont bouleversé nos modes de communication (doc. 1). Comment les mettre en évidence ?

RÉALISER ET OBSERVER
• Disposer à proximité l’un de l’autre un GBF et un oscilloscope.Raccorder deux longs fils de liaison, maintenus verticalement, l’un à une voie d’entrée de l’oscilloscope et l’autre à la sortie du GBF (doc. 2). • Régler la fréquence du GBF vers 200 kHz, noter sa valeur n. • Régler la base de temps de l’oscilloscope sur le calibre 1 ms◊Div –1, observer le signal reçu par l’oscilloscope, mesurer sa période. • Faire varier la fréquence du GBF et observer le signalreçu. • Régler un petit poste récepteur radio sur une station de la bande AM (148 kHz - 284 kHz), noter sa fréquence. Positionner alors le poste de radio à côté du GBF, et régler la fréquence du GBF sur celle de la station écoutée. Que constate-t-on ?

Doc. 1 Les émetteurs de la tour Eiffel.

INTERPRÉTER ET EXPLOITER
1 La période du signal reçu par l’oscilloscope correspond-elle à la fréquence deréglage du GBF ? 2 Quel est le rôle du fil de liaison relié à l’oscilloscope ? À quelle partie du poste radio correspond-il ? 3 Comment prouver que le signal reçu par l’oscilloscope est émis par le GBF ? 4 Les ondes électromagnétiques émises par le Doc. 2 Mise en évidence des ondes hertziennes. GBF se propagent à la vitesse c = 300 000 km◊s –1. Calculer la longueur d’onde l, de l’onde de fréquence200 kHz et compléter les domaines des rayonnements électromagnétiques en positionnant celui des ondes radio sur l’axe suivant :
10 –13 10 –12 10 –11 10 –10 10 –9 10 –8 10 –7 10 –6 RX UV Visible 10 –5 10 –4 10 –3 10 –2 IR 10 –1 1 10 1 l (en m) 10 2 10 3

52 Les ondes électromagnétiques et le photon • Rechercher et expérimenter

Activité 2 Découvrir le photon
En 1905, Albert Einstein proposeune interprétation de l’effet photoélectrique, découvert par Heinrich Hertz en 1887.

RÉALISER ET OBSERVER
• Charger négativement, à l’aide d’un bâton d’ébonite frotté avec une fourrure, un électroscope surmonté d’une plaque de zinc (doc. 3). Observer. • Éclairer la plaque de zinc, durant une minute à l’aide d’une lampe à incandescence puissante. Observer. • Remplacer la lampe à incandescencepar une source UV. Observer (doc. 4). • Recharger l’électroscope, interposer une lame de verre entre la plaque de zinc et la lampe UV, éclairer, observer.

Doc. 3 Charge d’un électroscope.

INTERPRÉTER ET EXPLOITER
1 Le bâton d’ébonite porte des électrons en excès qui sont transmis aux parties métalliques conductrices de l’électroscope. Justifier le fait que les lames de l’électroscope...