Résultats générés
Domaine Physique-Chimie
Type doppler intensité sonore diffraction lunette astronomique afocale
Durée 65 min
Séquence Séquence Physique-ChimieSéance Séance : doppler intensité sonore diffraction lunette astronomique afocale
Séance : doppler intensité sonore diffraction lunette astronomique afocale
Pack séance
Supports générés
- Fiche élève distribuable
- Version enseignant détaillée
- Corrigé projetable/imprimable
Mise en route
Partie 1
Titre de la séquence : Séquence Physique-Chimie
Titre de la séance : Séance : doppler intensité sonore diffraction lunette astronomique afocale
Objectif : Activer les connaissances sur les ondes (effet Doppler, intensité sonore, diffraction) et introduire la notion de lunette astronomique afocale.
Durée estimée : 15 minutes
Déroulement étape par étape pour l’enseignant :
- Amorce (5 min) : Poser une question ouverte au tableau : “Quels phénomènes ondulatoires connaissez-vous et où les rencontre-t-on dans la vie quotidienne ?”
- Recueil des réponses (5 min) : Noter les propositions des élèves au tableau sans les commenter. Guider si nécessaire vers les ondes sonores et lumineuses.
- Transition (5 min) : Annoncer que la séance portera sur trois phénomènes ondulatoires (effet Doppler, intensité sonore, diffraction) et leur application en astronomie (lunette afocale).
Consigne élève :
“Notez sur votre feuille les phénomènes ondulatoires que vous connaissez et un exemple concret pour chacun. Vous aurez 5 minutes pour cette tâche.”
Support élève imprimable :
Activité 1 : Rappel des connaissances
Nom : ________________________
Prénom : ________________________
Date : ________________________
Consigne : Citez au moins deux phénomènes ondulatoires et donnez un exemple pour chacun.
-
Phénomène 1 : ________________________
Exemple : ________________________ -
Phénomène 2 : ________________________
Exemple : ________________________
Mise en commun suggérée :
- L’enseignant relève les réponses et les classe au tableau en trois catégories : ondes sonores, ondes lumineuses, autres.
- Il souligne les exemples liés à l’astronomie (étoiles, lumière) et introduit la lunette astronomique comme outil d’observation.
- Transition vers la Partie 2 : “Nous allons maintenant approfondir ces phénomènes et voir comment ils s’appliquent à la lunette astronomique afocale.”
Exercice 1 : Effet Doppler et mouvement des étoiles
Exercice 1
Contenu
Titre : L’effet Doppler en astronomie
Objectif pédagogique
Comprendre l’effet Doppler et son application pour déterminer le mouvement des étoiles.
Consigne élève
“À partir des documents fournis, expliquez comment l’effet Doppler permet de déterminer si une étoile s’éloigne ou se rapproche de la Terre. Calculez ensuite la vitesse radiale d’une étoile à partir de son spectre.”
Support élève imprimable
Document 1 : Spectre d’une étoile
Le spectre de l’étoile montre une raie d’absorption à 500 nm en laboratoire. Dans l’observation, cette raie est décalée vers le rouge à 501 nm.
Document 2 : Effet Doppler
L’effet Doppler décrit le décalage de la fréquence d’une onde lorsque la source et l’observateur sont en mouvement relatif. Pour la lumière, si la source s’éloigne, la longueur d’onde augmente (décalage vers le rouge). Si elle se rapproche, la longueur d’onde diminue (décalage vers le bleu).
Consigne :
- Déterminez si l’étoile s’éloigne ou se rapproche de la Terre. Justifiez votre réponse.
- Calculez la vitesse radiale de l’étoile en utilisant la formule :
v = (Δλ / λ₀) * c
où Δλ est le décalage de longueur d’onde, λ₀ la longueur d’onde au repos, et c la vitesse de la lumière (3,00 × 10⁸ m/s). - Exprimez le résultat en km/s.
Zone de réponse : - Décalage observé : ________________________
Conclusion : ________________________ - Calcul de la vitesse radiale :
Δλ = ________________________
λ₀ = ________________________
v = ________________________ - Résultat final : v = ________________________ km/s
Matériel requis
- Calculatrice
- Document 1 et 2 imprimés
Temps estimé
20 minutes
Corrigé détaillé
- Le décalage vers le rouge (501 nm > 500 nm) indique que l’étoile s’éloigne de la Terre.
- Calcul :
Δλ = 501 nm – 500 nm = 1 nm = 1 × 10⁻⁹ m
λ₀ = 500 nm = 500 × 10⁻⁹ m
v = (1 × 10⁻⁹ / 500 × 10⁻⁹) × 3,00 × 10⁸ = 600 km/s - Résultat : v = 600 km/s
Différenciation pédagogique
- Remédiation : Pour les élèves en difficulté, fournir un exemple guidé avec des valeurs numériques simplifiées.
- Approfondissement : Demander aux élèves de calculer la vitesse pour un décalage vers le bleu et d’expliquer la différence.
Exercice 2 : Intensité sonore et niveau d’intensité
Exercice 2
Contenu
Titre : Calcul du niveau d’intensité sonore
Objectif pédagogique
Appliquer la formule du niveau d’intensité sonore et comprendre son lien avec la perception auditive.
Consigne élève
“Un concert a lieu à 50 mètres d’un spectateur. Le niveau d’intensité sonore mesuré est de 100 dB. Calculez l’intensité sonore en W/m² puis déterminez le niveau d’intensité sonore perçu par un spectateur situé à 100 mètres du concert.”
Support élève imprimable
Document : Niveau d’intensité sonore
Le niveau d’intensité sonore L (en dB) est donné par :
L = 10 × log(I / I₀)
où I est l’intensité sonore en W/m² et I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d’audibilité).
L’intensité sonore I diminue avec la distance d selon la relation :
I = P / (4πd²)
où P est la puissance sonore de la source (supposée isotrope).
Consigne :
- Calculez l’intensité sonore I à 50 mètres du concert.
- Déterminez la puissance sonore P de la source.
- Calculez le niveau d’intensité sonore perçu à 100 mètres.
Zone de réponse : - Calcul de I à 50 m :
L = 100 dB
I = ________________________ - Calcul de P :
P = ________________________ - Calcul de L à 100 m :
I à 100 m = ________________________
L à 100 m = ________________________
Matériel requis
- Calculatrice
- Document imprimé
Temps estimé
20 minutes
Corrigé détaillé
- I = I₀ × 10^(L/10) = 10⁻¹² × 10^(100/10) = 10⁻² W/m²
- P = I × 4πd² = 10⁻² × 4π × (50)² ≈ 314 W
- I à 100 m = 314 / (4π × 100²) ≈ 2,5 × 10⁻³ W/m²
L à 100 m = 10 × log(2,5 × 10⁻³ / 10⁻¹²) ≈ 94 dB
Différenciation pédagogique
- Remédiation : Fournir les valeurs intermédiaires (I à 50 m et P) pour les élèves en difficulté.
- Approfondissement : Demander de calculer la distance à laquelle le niveau sonore descend à 60 dB.
Exercice 3 : Diffraction et lunette astronomique afocale
Exercice 3
Contenu
Titre : Étude de la diffraction dans une lunette afocale
Objectif pédagogique
Comprendre le rôle de la diffraction dans la formation des images en astronomie et son lien avec la lunette afocale.
Consigne élève
“Une lunette astronomique afocale est composée de deux lentilles : l’objectif (diamètre D = 80 mm) et l’oculaire. La lumière d’une étoile traverse l’objectif et subit une diffraction. Expliquez comment la diffraction limite la résolution de la lunette et calculez l’angle minimal de séparation entre deux étoiles pour qu’elles soient distinguées.”
Support élève imprimable
Document : Critère de Rayleigh
Deux étoiles sont distinguables si l’angle θ entre elles est supérieur à :
θ = 1,22 × λ / D
où λ est la longueur d’onde de la lumière (supposée 550 nm pour la lumière visible) et D le diamètre de l’objectif.
Consigne :
- Expliquez en quoi la diffraction limite la résolution d’une lunette astronomique.
- Calculez l’angle minimal θ pour distinguer deux étoiles avec la lunette décrite.
- Comparez cet angle à celui obtenu avec un télescope de diamètre D = 200 mm.
Zone de réponse : - Explication :
- Calcul de θ :
λ = 550 nm = ________________________ m
D = 80 mm = ________________________ m
θ = ________________________ - Comparaison :
Pour D = 200 mm, θ’ = ________________________
Conclusion : _____________________________________________
Matériel requis
- Calculatrice
- Document imprimé
Temps estimé
25 minutes
Corrigé détaillé
- La diffraction élargit la tache de diffraction formée par l’objectif, ce qui limite la capacité à distinguer deux sources lumineuses proches.
- θ = 1,22 × 550 × 10⁻⁹ / (80 × 10⁻³) ≈ 8,4 × 10⁻⁶ rad
- Pour D = 200 mm, θ’ = 1,22 × 550 × 10⁻⁹ / (200 × 10⁻³) ≈ 3,4 × 10⁻⁶ rad
Conclusion : Un diamètre plus grand améliore la résolution.
Différenciation pédagogique
- Remédiation : Fournir la valeur de λ en mètres et guider le calcul de θ.
- Approfondissement : Demander de calculer la distance minimale entre deux étoiles observables sur la Lune (distance Terre-Lune ≈ 384 000 km).
Bilan des acquis
Partie 3
Bilan des acquis
Compétences évaluées :
- Comprendre l’effet Doppler et son application en astronomie.
- Calculer un niveau d’intensité sonore et une intensité sonore.
- Expliquer le rôle de la diffraction dans la résolution d’une lunette astronomique.
Durée estimée : 15 minutes
Barème : 20 points
Support élève imprimable :
Évaluation formative
Nom : ________________________
Prénom : ________________________
Date : ________________________
Consigne : Répondez aux questions suivantes.
-
(2 pts) Expliquez en une phrase ce que mesure l’effet Doppler.
-
(3 pts) Une étoile présente un décalage vers le bleu de sa raie d’absorption. Que peut-on en conclure sur son mouvement par rapport à la Terre ?
-
(4 pts) Le niveau d’intensité sonore d’un marteau-piqueur est de 110 dB à 1 mètre. Calculez l’intensité sonore I en W/m².
I = ________________________ -
(3 pts) Pourquoi une lunette astronomique de grand diamètre permet-elle de mieux distinguer deux étoiles proches ?
-
(4 pts) Calculez l’angle minimal de séparation entre deux étoiles observables avec une lunette de diamètre D = 10 cm pour une longueur d’onde λ = 500 nm.
θ = ________________________ -
(4 pts) Citez deux applications concrètes de l’effet Doppler en dehors de l’astronomie.
-
Corrigé avec critères d’évaluation :
- (2 pts) L’effet Doppler mesure le décalage de fréquence (ou de longueur d’onde) d’une onde due au mouvement relatif entre la source et l’observateur.
- (3 pts) Un décalage vers le bleu indique que l’étoile se rapproche de la Terre.
- (4 pts) I = I₀ × 10^(L/10) = 10⁻¹² × 10^(110/10) = 0,1 W/m²
- (3 pts) Un grand diamètre réduit l’angle de diffraction (critère de Rayleigh), améliorant la résolution angulaire.
- (4 pts) θ = 1,22 × 500 × 10⁻⁹ / 0,1 = 6,1 × 10⁻⁶ rad
- (4 pts) Exemples : radar routier, échographie Doppler, mesure de vitesse des fluides.
Critères d’évaluation :
- Exactitude des réponses (16 pts)
- Clarté et précision des explications (4 pts)
Référentiels utilisés
2 sources
Ressources complémentaires
5 liens
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