Oui
Lumière et dualité onde-particule
Effet Doppler
Ondes mécaniques
Sujet Bac Corrigé - Les LIDAR, laser et effet Doppler - Bac S Asie 2016 (ancien programme) - Ex 2 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2016
Bac S (ancien programme)
✈️ Un avion survole le relief et envoie des impulsions laser : le LIDAR mesure des altitudes et même la profondeur de l'eau. Cet exercice de 10 points (environ 1 h 40) du Bac S 2016 Asie relie la physique du laser aux mesures de distance et de vitesse.
- Le laser : propriétés, pompage par lampes flash, longueur d'onde avec E = hc/λ.
- Mesure d'altitude : durée d'aller-retour, choix d'un graphique, altitude du Puy de Dôme.
- LIDAR bathymétrique : laser vert ou infrarouge, spectre d'absorption de l'eau, profondeur.
- Vitesse d'un chariot : incertitude de mesure, effet Doppler, compatibilité de deux résultats.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé sont gratuits, en PDF.
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Les LIDAR : ce que demande l'exercice
Le deuxième exercice du Bac S 2016 Asie, noté sur 10 points, est le plus long de l'épreuve. Il étudie le LIDAR, un dispositif embarqué dans un avion qui envoie des impulsions laser vers le sol et mesure la durée de leur retour. La partie 1 porte sur le laser lui-même et sur la mesure d'altitude, la partie 2 sur le LIDAR bathymétrique, qui mesure la profondeur de l'eau, et la partie 3 sur deux expériences de mesure de la vitesse d'un chariot avec des ultrasons.
Les passages clés, question par question
Le laser et ses niveaux d'énergie
Le rayonnement laser est monochromatique et directif. Les lampes flash réalisent le pompage : elles font passer les atomes du cristal du niveau E0 au niveau E3. Le photon absorbé doit avoir une énergie égale à E3 − E0, d'où λ = hc/(E3 − E0) = 8,08 × 10-7 m, soit 808 nm, dans le proche infrarouge. Le résultat garde trois chiffres significatifs, comme h et c.
Mesurer une altitude
L'avion étant considéré comme immobile pendant la mesure, l'impulsion parcourt un aller-retour de longueur 2(H − h), d'où Δt = 2(H − h)/c. Quand l'altitude h du relief augmente, Δt diminue : la courbe Δt(t) est le profil du relief renversé, c'est le graphique a. Pour le Puy de Dôme, Δt = 13,6 µs et H = 3,50 km donnent h = H − cΔt/2 = 1,46 × 103 m. L'hypothèse se vérifie : pendant 13,6 µs, l'avion à 450 km·h-1 ne parcourt que 1,70 mm, négligeable devant 3,50 km.
Le LIDAR bathymétrique
Le laser vert émet à 532 nm (visible), le laser infrarouge à 1064 nm. Sur le spectre d'absorption de l'eau, le coefficient est environ mille fois plus faible à 532 nm qu'à 1064 nm : seule la lumière verte atteint le fond et revient. L'infrarouge est renvoyé par la surface ; le vert parcourt en plus un aller-retour dans l'eau. Le retard de 0,035 µs entre les deux échos, avec la célérité de la lumière dans l'eau, 2,26 × 108 m·s-1, donne une profondeur d'environ 4,0 m.
Deux mesures de vitesse d'un chariot
Le LIDAR utilise une onde électromagnétique, les expériences des ultrasons, ondes mécaniques qui exigent un milieu matériel. Avec la durée moyenne de 2,078 s sur 30,0 cm, on trouve v = (0,144 ± 0,003) m·s-1. Dans l'expérience n° 2, la fréquence reçue (42 134 Hz) est inférieure à la fréquence émise (42 170 Hz) : le chariot s'éloigne. La relation de l'effet Doppler donne 0,145 m·s-1 à 5 % près ; les deux intervalles se recouvrent, les valeurs sont compatibles.
Les pièges à éviter
Ne pas répondre 1064 nm pour les lampes flash : c'est la longueur d'onde émise par le laser, pas celle du pompage. Ne pas oublier le facteur 2 de l'aller-retour, ni convertir H en mètres et Δt en secondes. Pour la profondeur, utiliser la célérité dans l'eau et non 3,00 × 108 m·s-1. L'axe vertical du spectre d'absorption est logarithmique. Dans l'effet Doppler, c est la célérité des ultrasons dans l'air, 340 m·s-1.
Conseils pour réussir
Pour valider une approximation, calcule les deux grandeurs dans la même unité et forme leur rapport. Pour écrire un résultat avec incertitude, arrondis l'incertitude par excès à un chiffre significatif, puis arrête la valeur au même rang. Pour comparer deux mesures, écris chacune sous forme d'intervalle et regarde si ces intervalles ont une partie commune. Le laser ne figure plus au programme actuel, mais les mesures de durée, les incertitudes et l'effet Doppler restent d'actualité.