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Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 18
Activité 4 - Activité d'exploration

Interférométrie et unité de référence

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Objectif : Représenter, à l'aide d'un langage de programmation, la somme de deux signaux sinusoïdaux périodiques synchrones.
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Problématique de l'activité
En novembre 2018, lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures, le BIPM (Bureau international des poids et mesures) situé à Sèvres, près de Paris, a redéfini les valeurs des sept unités de base du Système International à partir d'une ou de plusieurs constantes fondamentales.
Comment la mesure du mètre est-elle réalisée expérimentalement ?
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Doc. 1
Mesure d'une distance par interférométrie

Par interférométrie, la mesure de l'intensité lumineuse résultant de la superposition des deux ondes permet de déterminer le déphasage \Delta \varphi entre les deux ondes. Chaque alternance correspond à un décalage du miroir d'une demi-longueur d'onde et à un déphasage de 2 \pi. Ainsi, il est possible de mesurer une distance \Delta x en déterminant le nombre k d'alternances observées (k est appelé ordre d'interférence). Il est possible ensuite de déterminer le retard \Delta t d'une onde par rapport à l'autre puis la distance \Delta x correspondant au décalage du miroir. Ces grandeurs sont liées par :
k=\dfrac{\Delta \varphi}{2 \pi} \ \Delta t=\frac{\Delta \varphi}{2 \pi \cdot f} \ \Delta x=\frac{c \cdot \Delta t}{2}
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Données

  • Nombre d'alternances observées : k = 3{,}159 \: 603 \times 10^6
  • Longueur d'onde du laser utilisé : \lambda_{\text{He}-\text{Ne}} = 632{,}990 \: 8 nm
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Doc. 2
Interféromètre de Michelson

L'une des techniques pour réaliser la mesure du mètre est d'utiliser un interféromètre de Michelson. Une source de lumière cohérente émet une onde progressive monochromatique vers une lame séparatrice qui la divise en deux ondes.

En faisant glisser un des miroirs, l'une des ondes parcourt une distance plus grande et arrive avec un retard sur le détecteur.

Ainsi, en repérant l'alternance entre des interférences constructives et destructives, il est possible de déterminer la différence de parcours des deux ondes en fonction de la longueur d'onde.

Interféromètre de Michelson
Le zoom est accessible dans la version Premium.
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Supplément numérique

Retrouvez la définition du mètre en cliquant .
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Questions
Compétence(s)
APP : Extraire l'information utile
REA : Mettre en œuvre un protocole
REA/MATH : Utiliser un langage de programmation

1. Préciser le type d'interférences observées si le miroir mobile est déplacé d'une distance \Delta x égale à un quart de longueur d'onde puis à une demi-longueur d'onde.

2. À partir des mesures du laboratoire de métrologie précisées dans les données, déterminer le déphasage \Delta \varphi correspondant au décalage du miroir.

3. Ētablir l'expression de \Delta x en fonction de c, k et f et calculer sa valeur.

4. Cette méthode est appelée « Réalisation du mètre par mesure indirecte du temps de propagation de la lumière ». Justifier l'emploi du terme « indirect ».


5. Compléter le code permettant de visualiser la superposition de deux ondes en faisant varier la phase à l'origine de l'une des deux ondes.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 5))
ax.set(xlim=(0,3), ylim=(-2, 2))
plt.title('Superposition de deux ondes cohérentes')
plt.xlabel('x (cm)', fontsize=16)
plt.ylabel('Amplitude',fontsize=16)
x = np.linspace(0, 3, 300)
t = np.linspace(1, 2, 300)
#Parametres de l'onde 1
A = 
v =
T =
k = 2*np.pi/(v*T) # vecteur de l'onde
F1 = A*np.sin(2*np.pi/T*t-k*x) # F1 fonction de deux variables
# Déphasage de l'onde 2 par rapport à l'onde 1
n = np.pi*float(input("Déphasage de l'onde 2 par rapport à l'onde 1, saisir un nombre réel compris entre -2 et 2 : " ))
#Parametres de l'onde 2
A = 
v =
T =
k = 2*np.pi/(v*T) # vecteur de l'onde
F2 = A*np.sin(2*np.pi/T*t-k*x+n) # F2 fonction de deux variables
#Parametres de l'onde 3
F3 = F1 + F2
ax.plot(x,F1, color='r',lw=1, label="Onde 1")
ax.plot(x,F2, color='b', lw=0.5, label="Onde 2")
ax.plot(x,F3, color='g', label="Onde résultante")
plt.legend()
plt.show()
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Synthèse de l'activité
Rédiger le protocole de mesure du mètre par interférométrie.
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