Physique et instrumentation en Terminale
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de physique et instrumentation pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Ondes sonores : intensité, niveau sonore (dB)
- Diffraction et interférences
- Ultrasons
- Optique instrumentale (spectrophotomètre, interféromètre)
- Régulation et automatisation des procédés
Spectrophotomètre et absorption lumineuse
Un spectrophotomètre mesure la quantité de lumière absorbée par une solution colorée. Il envoie de la lumière à travers l'échantillon et détecte combien de lumière ressort de l'autre côté.
Exemple
Quand tu mets des lunettes de soleil, elles absorbent une partie de la lumière. Le spectrophotomètre fonctionne sur le même principe pour mesurer la concentration d'une substance dans un liquide.
À retenir : La loi de Beer-Lambert relie l'absorption à la concentration : $A = \varepsilon \times l \times c$ où A est l'absorbance, ε le coefficient d'extinction, l la longueur de la cuve et c la concentration.
Interféromètre et mesure de précision
Un interféromètre utilise les interférences de la lumière pour mesurer des distances ou des variations très petites avec une extrême précision. Deux rayons lumineux se superposent et créent des franges claires et sombres.
Exemple
Les contrôleurs de qualité en usine automobile utilisent des interféromètres pour vérifier que les pièces usinées ont exactement les bonnes dimensions, à quelques micromètres près.
À retenir : Une frange claire apparaît quand la différence de marche entre deux rayons égale un nombre entier de longueurs d'onde ($\Delta = k \times \lambda$) ; une frange sombre apparaît quand elle vaut un nombre entier plus un demi ($\Delta = \left(k + \frac{1}{2}\right) \times \lambda$).
Ondes sonores : intensité et niveau sonore
Une onde sonore transporte de l'énergie. L'intensité sonore $I$, en W/m², est la puissance sonore reçue par unité de surface. Le niveau d'intensité sonore, exprimé en décibels (dB), est défini par $L = 10 \log\left(\frac{I}{I_0}\right)$ avec $I_0 = 10^{-12}$ W/m² (seuil d'audibilité à 1 kHz). Multiplier l'intensité par 10 augmente le niveau de 10 dB ; la doubler l'augmente d'environ 3 dB.
Exemple
Une conversation normale correspond à environ 60 dB, soit $I = 10^{-6}$ W/m² ; un concert de rock approche 110 dB, proche du seuil de douleur (environ 120 dB).
À retenir : $L = 10 \log\left(\frac{I}{I_0}\right)$ : l'échelle en dB est logarithmique, donc deux sources identiques n'ajoutent que 3 dB.
Diffraction et interférences
La diffraction est l'étalement d'une onde lorsqu'elle traverse une ouverture ou rencontre un obstacle dont la taille est du même ordre de grandeur que sa longueur d'onde $\lambda$ ; pour une fente de largeur $a$, l'écart angulaire est $\theta \approx \frac{\lambda}{a}$ (en radians). Les interférences apparaissent lorsque deux ondes cohérentes se superposent : elles sont constructives (amplitude maximale) si la différence de marche vaut $\Delta = k\lambda$ et destructives (amplitude minimale) si $\Delta = \left(k + \frac{1}{2}\right)\lambda$, avec $k$ entier.
Exemple
On entend une personne parler depuis la pièce voisine, porte entrouverte, même sans la voir : les sons graves, dont la longueur d'onde est voisine de la largeur de la porte, se diffractent et se répandent dans la pièce. Un casque à réduction active de bruit exploite des interférences destructives en émettant un son en opposition de phase avec le bruit ambiant.
À retenir : Diffraction : l'onde s'étale d'autant plus que l'ouverture est petite devant $\lambda$ ; interférences constructives si $\Delta = k\lambda$, destructives si $\Delta = \left(k + \frac{1}{2}\right)\lambda$.
Circuits de mesure et capteurs
Un circuit de mesure transforme une grandeur physique (température, pression, lumière) en signal électrique exploitable. Il comprend un capteur, un amplificateur et un système d'affichage.
Exemple
Le thermomètre numérique de ta maison contient un capteur qui transforme la température en tension électrique, puis un circuit affiche le résultat en degrés.
À retenir : Un bon circuit de mesure doit être sensible (détecter les petites variations), linéaire (proportionnel à la grandeur mesurée) et stable (reproductible).
Acoustique et ultrasons en laboratoire
Les ultrasons sont des ondes sonores de fréquence supérieure à 20 kHz, inaudibles pour l'oreille humaine. En labo, on les utilise pour mesurer des distances ou nettoyer des objets.
Exemple
Les échographies médicales utilisent les ultrasons pour voir à l'intérieur du corps. En labo, on les utilise aussi pour mesurer la profondeur d'un liquide ou détecter des défauts dans les matériaux.
À retenir : La vitesse du son dans l'eau est environ 1500 m/s et dans l'air 340 m/s ; on mesure les distances par : $d = \frac{v \times t}{2}$ (le facteur 2 car l'onde fait un aller-retour).
Régulation et automatisation des procédés
La régulation automatique maintient une grandeur (température, pression, pH) à une valeur constante sans intervention humaine. Un capteur mesure, un contrôleur compare à la consigne, et un actionneur corrige.
Exemple
Le thermostat de ta maison : il mesure la température, la compare à celle que tu as programmée, et allume ou éteint le chauffage automatiquement.
À retenir : Une boucle de régulation fonctionne en trois étapes : mesure (capteur), comparaison (contrôleur), correction (actionneur).
Les points clés
- La spectrophotométrie mesure l'absorption lumineuse selon la loi de Beer-Lambert pour déterminer les concentrations
- L'interféromètre atteint une précision extrême en exploitant les interférences constructives et destructives de la lumière
- Un circuit de mesure convertit une grandeur physique en signal électrique exploitable par un système d'affichage
- Les ultrasons (f > 20 kHz) permettent des mesures de distance et des applications médicales grâce à leur propagation et réflexion
- La régulation automatique maintient une grandeur constante via une boucle capteur-contrôleur-actionneur
- Le niveau sonore en décibels se calcule par $L = 10 \log\left(\frac{I}{I_0}\right)$ avec $I_0 = 10^{-12}$ W/m² : +10 dB correspond à une intensité multipliée par 10.
- Une onde est diffractée par une ouverture de taille comparable à sa longueur d'onde ; deux ondes cohérentes interfèrent de façon constructive ou destructive selon leur différence de marche.
L'essentiel
L'instrumentation scientifique repose sur la conversion de grandeurs physiques en signaux mesurables, puis leur traitement automatique pour contrôler les procédés.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Une solution contient une substance colorée. On mesure son absorbance A = 0,8 à une longueur d'onde de 500 nm. Le coefficient d'extinction molaire est ε = 1000 L/(mol·cm) et la longueur de la cuve est l = 1 cm. Calcule la concentration de la solution.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Un capteur ultrasonique mesure la distance à un objet. L'onde ultrasonore met 0,04 seconde pour faire l'aller-retour. La vitesse du son dans l'air est 340 m/s. Calcule la distance entre le capteur et l'objet.
Corrige cet exercice avec le tuteur →