Les supports didactiques imprimés de la leçon : Les Ondes Électromagnétiques
Activités de la leçon
Document : Situation de départ
La transmission sans fil permet de relier le stade à des millions de récepteurs instantanément.
Lors d'un match décisif de l'équipe nationale marocaine, des millions de supporters suivent l'événement en direct à travers tout le Royaume. Un habitant d'un village reculé dans les montagnes de l'Atlas regarde le match sur sa télévision via une antenne parabolique, tandis qu'un automobiliste circulant sur l'autoroute l'écoute sur sa radio.
👉 Question problème : "Comment l'image et le son parviennent-ils quasi-instantanément du stade jusqu'aux différents récepteurs (TV, Radio) sans aucun lien matériel (fils), et quel est le rôle des différentes antennes utilisées ?"
Activité expérimentale : L'émetteur et le récepteur
Au laboratoire, on relie un émetteur ultrasonique (qui joue le même rôle qu'une antenne émettrice) à un générateur basse fréquence (GBF) réglé sur une fréquence d'émission $f_E = 40 \text{ kHz}$. À quelques mètres, on place un récepteur relié à un oscilloscope. On observe sur l'écran le signal électrique reçu après sa propagation dans l'air. On mesure sur l'écran la période du signal reçu et on trouve $T_R = 25 \;\mu\text{s}$.
Questions :
1 En utilisant la formule de la fréquence, calculer la fréquence du signal reçu $f_R$.
2 Comparer la frequence du signal émis $f_E$ et celle du signal reçu $f_R$.
3 Quelle conclusion fondamentale peut-on tirer concernant le signal véhiculé entre un émetteur et un récepteur ?
Activité documentaire : Le problème des dimensions
On désire transmettre directement la voix d'un animateur radio. La fréquence moyenne de la voix humaine (Basse Fréquence) est d'environ $f = 100 \text{ Hz}$.
Une contrainte technologique fondamentale impose que pour qu'une antenne émette efficacement une onde, sa longueur physique $L$ doit être de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde du signal à émettre : $L = \frac{\lambda}{2}$.
Questions :
1 Calculer en mètres, puis en kilomètres, la longueur d'onde $\lambda$ correspondant à la voix de l'animateur ($c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$).
2 En déduire la taille physique $L$ de l'antenne nécessaire pour transmettre directement ce son.
3 Est-il technologiquement possible de construire une telle antenne ?
4 Pour résoudre ce problème, il faut utiliser une antenne beaucoup plus petite (par exemple $L = 1,5 \text{ m}$). Quelle caractéristique du signal doit-on augmenter considérablement pour y parvenir ?
Exercices d'application
Exercice Global : Étude de la transmission d'une station météo
Transmission des données de la station météo.
Une station météorologique située au sommet du Mont Toubkal collecte des données (température, vent) sous forme de signaux électriques de Basse Fréquence. Pour envoyer ces données à la base de contrôle située à Marrakech, les ingénieurs utilisent le processus de modulation d'amplitude (AM) pour transmettre le signal via une antenne.
Le signal de très Haute Fréquence utilisé possède une fréquence de $f = 150 \text{ MHz}$ (soit $150 \cdot 10^6 \text{ Hz}$). On donne la vitesse de la lumière dans l'air : $c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.
Questions :
1 Calculer en mètres la longueur d'onde $\lambda$ du signal de Haute Fréquence utilisé par la station météorologique.
2 En déduire la taille théorique $L$ de l'antenne nécessaire pour émettre efficacement ce signal, sachant que la règle impose $L = \frac{\lambda}{2}$. Cette taille est-elle techniquement réalisable ?
3 Expliquer brièvement pourquoi les ingénieurs ne transmettent pas le signal Basse Fréquence des capteurs directement dans l'air, sans faire appel à l'onde de 150 MHz.
4 Quel est le nom scientifique de l'opération qui consiste à insérer l'information dans l'onde de Haute Fréquence ?
5 Puisque la station utilise la modulation d'amplitude (AM), expliquez quelle propriété spécifique de l'onde Haute Fréquence va subir des variations.
6 Lorsque l'antenne réceptrice de la base de contrôle à Marrakech capte ce signal, quelle sera la valeur exacte de la fréquence de l'onde captée ? Justifiez votre réponse.
FIGURES de la leçon
Caractéristiques d'un signal : Amplitude, Période et Fréquence.Propagation transversale des champs électrique et magnétique.Le spectre électromagnétique : des ondes radio (basses fréquences) aux rayons gamma (très hautes fréquences).Différents types d'antennes utilisées selon la fréquence et l'application.Processus complet d'émission et de réception d'une information à distance.Modulation d'Amplitude (AM) : Le signal final s'élargit et se rétrécit.Modulation de Fréquence (FM) : Les oscillations se resserrent et s'écartent.Modulation de Phase (PM) : Le signal se décale dans le temps au rythme de l'information.De la radio classique aux satellites, la modulation est partout.
