Les ondes au service de la voiture du futur : un exercice d'ondes au bac S 2015 Inde

Le troisième exercice de l'épreuve de Pondichéry 2015 vaut 5 points, pour environ 50 minutes. Il était destiné aux candidats qui n'avaient pas choisi la spécialité physique-chimie. Le contexte est celui de la voiture autonome, qui perçoit son environnement grâce à trois types de capteurs : le radar du régulateur de vitesse adaptatif, les capteurs à ultrasons du radar de recul et le LIDAR. L'exercice combine des questions de cours sur les ondes, quelques calculs courts et une réponse argumentée à partir de documents.

Les passages clés, question par question

Partie 1 : nature des ondes et radar

La question 1.1 demande de classer les ondes : le radar utilise des ondes radio et le LIDAR un rayonnement allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, deux ondes électromagnétiques ; les ultrasons, qui ont besoin d'un milieu matériel, sont des ondes mécaniques. En 1.2, la longueur d'onde du radar se calcule par λ = c/f avec une fréquence de 76 à 77 GHz : on trouve 3,9 mm, ce qui place l'émission dans la bande W. Il faut convertir les gigahertz en hertz, puis comparer au tableau exprimé en millimètres. La question 1.3 porte sur l'effet Doppler : la fréquence de l'onde réfléchie est supérieure à celle de l'onde émise quand l'objet se rapproche, inférieure quand il s'éloigne.

Partie 2 : le radar de recul à ultrasons

Le capteur émet des salves de 1,7 ms répétées toutes les 12 ms. En 2.1, il ne faut pas confondre la périodicité des salves avec la période des oscillations à l'intérieur d'une salve. Le schéma de la question 2.2 fait apparaître la portée minimale de 0,30 m et la portée maximale de 2,0 m, mesurées à partir du capteur. En 2.3, l'onde fait un aller-retour : la durée vaut 2 d/v, soit 1,7 ms pour la portée minimale, exactement la durée d'une salve. Sans le facteur 2, la vérification échoue. La question 2.4 s'explique par le fonctionnement du matériau piézo-électrique, qui sert à la fois d'émetteur et de récepteur : tant que la salve est émise, le récepteur est inactif. Pour détecter un obstacle plus proche, il faut donc diminuer la durée des salves. Enfin, la portée maximale est fixée par la périodicité : v Δt₂ / 2 donne environ 2,1 m, très proche des 2 m de la notice.

Partie 3 : la réponse argumentée

La dernière question demande pourquoi une voiture autonome n'utilise pas un seul type de capteur. Les arguments attendus portent sur les distances couvertes, la sensibilité aux conditions météorologiques, les informations fournies, comme la vitesse relative grâce à l'effet Doppler, et le coût. La conclusion : les points forts de chaque capteur compensent les points faibles des autres, il faut les associer.

Pièges et conseils

Dans une réponse argumentée, recopier le tableau des documents ne suffit pas : chaque argument doit comparer les capteurs et s'appuyer sur une information précise. Pour une question du type « quelle grandeur modifier », écrivez d'abord la relation littérale, ici d_min = v Δt₁ / 2, puis lisez le sens de variation. Gardez deux chiffres significatifs, comme les données.