Activités séquence n 15 : stocker, lire et afficher l information

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Activités de la séquence n°15

Stocker, lire et afficher l’information

Fiches de synthèse mobilisées :

Fiche n°6 : ondes électromagnétiques et polarisation Fiche n°7.a : diffraction des ondes

Fiche n°7.b : interférences

Sommaire des activités

ACTIVITÉ 1 : du CD au Blu-ray ... 1 ACTIVITÉ 2 : comment reconnaître le CD, le DVD et le Blu-ray ? ... 5 ACTIVITÉ 3 : le fonctionnement de l’afficheur à cristaux liquides ... 6

ACTIVITÉ 1 : du CD au Blu-ray

Le CD a été inventé par Philips et Sony et commercialisé pour la première fois en 1982. Il permet de stocker de 70min à 80 min de musique mais a une capacité insuffisante pour stocker un film. Le DVD, commercialisé en 1995, puis plus récemment le Blu-ray (2003), sont des supports de même taille que le CD mais avec une capacité beaucoup plus importante.

Cette activité propose de comprendre le principe physique de la lecture des informations sur ces supports, puis d’étudier comment, du CD au Blu-ray, on a pu augmenter leur capacité de stockage sans modifier leur taille.

 Lire l’ensemble des documents 1 à 6 ci-après avant de traiter les questions.

PARTIE 1 : lecture d’un disque optique

1. L’information stockée sur un disque optique est binaire, c’est-à-dire constituée d’une succession de 1 et de 0.

Qu’est-ce qui matérialise, sur le disque, un « 1 » ? Un « 0 » ?

2. Quel phénomène physique permet au lecteur de CD de distinguer un « 1 » d’un « 0 » ?

3. La figure ci-dessous représente le disque, le faisceau laser (en grisé) et deux rayons de lumière appartenant à ce faisceau. Dans cette situation, le lecteur est-il censé lire un « 0 » ou un « 1 » ? L’interférence entre les faisceaux 1 et 2 doit-elle alors être constructive ou destructive ?

4. Calculer la période (temporelle) de l’onde émise par le laser rouge utilisé par le lecteur CD.

5. En exploitant les documents 1 et 6, déterminer la valeur de la célérité 𝑐 de cette onde, lorsqu’elle se propage

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Terminale STL – SPCL Ondes Activités – séquence n°15 : stocker, lire et afficher l’information

page 2 7. Imaginons un graveur de CD endommagé : il réalise des disques dont les creux sont deux fois plus profonds que la valeur normalement attendue : 0,250µm et non 0,125 µm. Quelle est la conséquence de ce défaut sur le disque gravé ? Exploiter les connaissances sur les interférences abordées en terminale pour justifier la réponse.

PARTIE 2 : du CD au Blu-ray, capacité de stockage des différents disques optiques

8. Pour augmenter la capacité de stockage du CD, la seule solution consiste à en rallonger le sillon et donc, si l’on veut que le support garde la même taille, resserrer les pistes gravées. Pour une longueur d’onde donnée, quel phénomène impose une distance minimale entre deux pistes consécutives ?

9. Calculer le diamètre de la tache d’Airy due à la diffraction qui se forme sur le CD. Vérifier que cette valeur est bien compatible avec les dimensions de la piste : la tache ne doit pas empiéter sur les pistes voisines.

10. Expliquer pourquoi le DVD a une plus grande capacité de stockage que le CD et le Blu-ray une plus grande capacité que le DVD, alors que ces trois supports sont tous les trois des disques de même diamètre : 12cm.

DOCUMENT 1 : ondes électromagnétiques et changements de milieux

La fréquence d’une onde électromagnétique est indépendante du milieu qu’elle traverse.

La célérité d’une onde électromagnétique dans un milieu est plus faible que dans le vide, elle vaut : 𝑣_{𝑚𝑖𝑙𝑖𝑒𝑢}=𝑐

𝑛 𝑛 est l’indice du milieu.

La longueur d’onde, pour une onde de fréquence donnée, est donc elle-aussi plus faible dans un milieu que dans le vide :

𝜆_{𝑚𝑖𝑙𝑖𝑒𝑢}=𝜆_{𝑣𝑖𝑑𝑒} 𝑛

DOCUMENT 2 : structure des disques optiques

Les disques optiques (CD, DVD et Blu-ray) sont tous composés de quatre couches, illustrés sur la figure suivante (vue en coupe) :

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DOCUMENT 3 : la feuille métallique gravée

La feuille métallique, dans un disque optique, est l’élément qui contient l’information stockée. Elle contient une piste en forme de spirale :

un CD observé au microscope

source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Disque_compact

La piste est gravée avec des « plats » et des creux dont les dimensions sont indiquées sur les figures ci- après.

détail d’une piste vue de dessus détail d’une piste vue en coupe

DOCUMENT 4 : la lecture du disque optique

Un faisceau laser est émis en direction du disque. Il se réfléchit une première fois sur la feuille métallique, puis une seconde fois sur un miroir semi-réfléchissant qui dévie le faisceau vers un détecteur :

 Lecture d’un 0 : lorsque le faisceau est réfléchi par un enchaînement plat – plat ou un enchaînement creux – creux, son intensité est élevée et le détecteur reçoit l’information « 0 ».

 Lecture d’un 1 : lorsque le faisceau est réfléchi par un enchaînement creux – plat ou plat – creux, les deux parties du faisceau réfléchi interfèrent de manière destructive et le détecteur reçoit l’information « 1 ».

Sur la figure précédente, l’information contenue sur la portion représentée est donc : 01101011101101011 :

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DOCUMENT 5 : diffraction du faisceau laser par la lentille

Lorsqu’un faisceau cylindrique de lumière traverse une lentille, le phénomène de diffraction intervient.

Si l’on place un écran dans son plan focal, on obtient donc une figure de diffraction et non un point :

source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Tache_d'Airy La tache centrale est appelée tache d’Airy. Son diamètre vaut :

𝑑 = 1,22 𝜆 𝑂𝑁

𝑂𝑁 étant l’ouverture numérique de l’association laser – lentille : elle dépend du diamètre du faisceau et de la distance focale de la lentille.

Dans le cas du disque optique, l’impact du faisceau laser sur la feuille métallique n’est donc pas ponctuelle : c’est un disque correspondant à la tache d’Airy de l’association laser – lentille :

DOCUMENT 6 : données sur les principaux disques optiques

Type de support CD DVD Blu-ray

Longueur d’onde dans le vide 780 nm 658 nm 405 nm Ouverture numérique 𝑂𝑁 0,45 0,65 0,85

Capacité 700 Mo 4,7 Go 23 Go

Distance entre pistes 1,6 µm 0,74 µm 0,4 µm Attention aux unités :

– 1 octet = 8 bits – 1 ko = 1024 octets – 1 Mo = 1024² octets – 1 Go = 1024³ octets

Remarque : en toute rigueur on devrait parler de kio (kibio-octet), de Mio et de Gio, mais ce vocabulaire n’est pas encore très usité.

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ACTIVITÉ 2 : comment reconnaître le CD, le DVD et le Blu-ray ?

On appelle « pas » d’un disque optique la distance séparant deux pistes consécutives. La capacité de stockage du disque est liée à la valeur du pas : plus il est faible et plus la capacité de stockage est élevée (voir documents de l’activité 1 pour davantage d’explications). Une des méthodes permettant de contrôler la qualité d’un disque optique est donc la mesure de son pas.

Afin d’illustrer cette méthode de contrôle on envisage la situation suivante : dans une entreprise qui commercialise des disques optiques, un technicien retrouve deux cartons dont les étiquettes se sont décollées. Il sait que l’un d’entre eux contient des CD et l’autre des DVD. Comment recoller les bonnes étiquettes sur les bons cartons ?

Problème à résoudre :

 Parmi les deux disques optiques dont vous disposez, lequel est un CD et lequel est un DVD ? Pour répondre à cette question :

– Rédiger le protocole d’une expérience permettant de classer ces deux disques par capacités de stockage croissantes. Le protocole doit être illustré d’un schéma et doit clairement indiquer quelles grandeurs seront mesurées et lesquelles seront calculées.

– Réaliser l’expérience, rendre compte des mesures effectuées et conclure.

Indication utile :

Le diamètre du faisceau laser utilisé en salle de TP est nettement supérieur à la distance séparant deux pistes consécutives, quel que soit le disque optique considéré.

Matériel disponible :

On dispose du matériel suivant, en plus du matériel d’optique habituel (banc, supports, fixations, etc.) : – deux disques optiques de natures différentes ;

– un laser émettant un faisceau vert de longueur d’onde 532 nm ; – un écran percé d’un petit trou ;

– un mètre ruban et une règle graduée.

DOCUMENT : réflexion d’un faisceau laser sur un disque optique

Lorsqu’un faisceau laser se réfléchit sur un disque optique, celui-ci se comporte comme un réseau : chaque spire de sa piste est l’équivalent d’un trait du réseau.

En plaçant un écran pour recueillir le faisceau réfléchi on observe alors une figure constituée de taches espacées d’une distance constante 𝑑 :

On montre que le pas du disque vaut alors :

𝑝 = 𝜆√1 +4𝐷² 𝑑²

𝐷 étant la distance entre le disque et l’écran sur lequel se forme la figure.

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ACTIVITÉ 3 : le fonctionnement de l’afficheur à cristaux liquides

Cette activité a pour but d’étudier expérimentalement le fonctionnement d’un objet très présent autour de nous : l’afficheur à cristaux liquides. Nous nous limiterons aux afficheurs en noir et blanc.

Présentation de la maquette utilisée :

Afin de permettre son étude et la compréhension de son fonctionnement, un afficheur a été découpé en 4 zones différentes. Dans chaque zone, une ou plusieurs couches ont été ôtées.

Couches présentes :

– zone 1 : filtre 1 + cristal liquide + filtre 2 + miroir – zone 2 : filtre 1 + cristal liquide + filtre 2

– zone 3 : filtre 1 + cristal liquide – zone 4 : cristal liquide

Partie 1 : étude des filtres de l’afficheur

Un morceau de chacun des filtres 1 et 2 a été découpé, les deux morceaux sont présents sur la paillasse. Au moyen d’une expérience simple, déterminer la nature de ces filtres et indiquer comment ils sont orientés dans l’afficheur à cristaux liquides.

Rendre compte de l’expérience réalisée, de son résultat et de ce que l’on peut en déduire, au moyen d’un petit paragraphe structuré et illustré.

Partie 2 : étude du cristal liquide

Expérience : éclairer l’afficheur à cristaux liquides avec une lanterne et, à l’aide d’une lentille mince convergente de distance focale 10cm, en faire une image agrandie sur un écran blanc.

Questions :

11. Rédiger le protocole d’une expérience permettant de déterminer si le cristal liquide hors tension possède une activité optique, et si oui, la valeur de son pouvoir rotatoire. Faire valider votre protocole avant de continuer.

12. Réaliser le protocole précédent et rendre compte des résultats obtenus.

13. Il est possible d’alimenter électriquement l’afficheur, utiliser pour cela un GBF réglé pour délivrer une tension de quelques volts, avec une fréquence de 50Hz environ.

14. Proposer le protocole d’une expérience permettant de déterminer si le cristal liquide sous tension possède une activité optique, et si oui, la valeur de son pouvoir rotatoire. Faire valider ce protocole avant de continuer.

15. À l’aide d’informations extraites des documents 2 et 3, proposer une explication, basée sur une description microscopique du cristal liquide, aux réponses (b) et (d).

Partie 3 : conclusion, fonctionnement de l’afficheur

Exploiter tous les résultats obtenus dans cette activité pour expliquer, au moyen d’un paragraphe rédigé et illustré, le fonctionnement de l’afficheur à cristaux liquide. En particulier, expliquer clairement comment des zones sombres apparaissent lorsque le cristal liquide est mis sous tension.

DOCUMENT 1 : constitution d’un afficheur à cristaux liquides

Ce schéma est une vue en coupe d’un afficheur à cristaux liquides noir et blanc.

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DOCUMENT 2 : qu’est-ce qu’un cristal liquide ?

Les cristaux liquides sont des espèces chimiques moléculaires, dont les molécules sont allongées et rigides.

Pour étudier physiquement certaines propriétés des cristaux liquides, il suffit souvent de représenter une molécule par un bâtonnet rigide que nous représenterons par :

DOCUMENT 3 : mésophases des cristaux liquides

Les cristaux liquides, vu leur structure (voir document 2) ont la particularité de pouvoir se trouver dans des états intermédiaires entre l’état liquide et l’état cristallin, appelés les mésophases.

 L’état liquide (fig. 1) : comme n’importe quel corps pur, le cristal liquide à l’état liquide est constitué de molécules dont la position, l’orientation et la vitesse sont aléatoires.

Fig. 1 : un cristal liquide en phase liquide

 L’état nématique (fig. 2) : à l’état nématique, les molécules ont des positions aléatoires, un mouvement désordonné mais une orientation privilégiée selon un axe. Sous l’effet d’une tension électrique, un cristal liquide passe toujours en phase nématique, les molécules s’orientent toutes dans la direction de l’axe +/- .

Fig. 2 : un cristal liquide en phase nématique

 L’état cholestérique (fig. 1) : cette phase n’existe que si les molécules du cristal liquide sont chirales.

C’est le cas des cristaux liquides présents dans les afficheurs LCD. Le cristal liquide adopte alors une structure en hélice et est optiquement actif.

Fig. 3 : un cristal liquide en phase cholestérique

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Terminale STL – Ondes Activités – séquence n°15 : lire, stocker et afficher l’information

Document professeur pour l’activité n°1 Du CD ou Blu-ray

Description de l’activité :

Fiche(s) de synthèse mobilisée(s) Fiche 7.a : la diffraction des ondes Fiche 7.b : interférences

Type d’activité → activité documentaire qui réinvestit les notions sur les interférences et la diffraction en traitant un cas concret.

Conditions de mise en œuvre

→ classe entière possible

→ possibilité de donner à traiter à la maison à condition de prévoir une séance de mise en commun.

Matériel utilisé aucun matériel

Place dans la séquence → La séquence 7 doit avoir été traitées auparavant.

→ Traiter cette activité au début de la séquence 15.

Capacités mises en œuvre dans cette activité

APP

– Extraire les informations jugées pertinentes concernant :

→ les dimensions caractéristiques du CD (distances, capacité de stockage)

→ le principe de la lecture du disque optique

→ la limite imposée par le phénomène de diffraction.

– Relier quantitativement différents éléments du document 4 : le phénomène de diffraction par la lentille et les dimensions de la piste du disque.

– Relier qualitativement le diamètre de la tache d’Airy et la capacité de stockage du disque.

– Confronter le contenu du document 4 à ses connaissances sur les interférences.

ANA

– Relier le problème de la lecture du disque au phénomène d’interférence.

– Relier l’information concernant le profil de la piste et la différence de marche entre les deux parties du faisceau réfléchi.

REA

– Faire le calcul numérique de la longueur d’onde du faisceau dans le polycarbonate.

– Faire le calcul numérique de la différence de marche.

– Faire le calcul numérique du diamètre de la tache d’Airy.

Éléments de réponses, démarche attendue, éventuels résultats expérimentaux :

1. Un « 1 » est une transition « plat – creux » ou « creux - plat » ; un « 0 » est une transition « plat – plat » ou une transition « creux – creux ».

2. C’est un phénomène d’interférence entre les deux parties du faisceau réfléchi.

3. Pour que le lecteur lise un « 1 », il faut que l’interférence soit destructive.

4. Période temporelle :

𝑇 =1 𝑓=𝑐

𝜆=780 × 10⁻⁸

3,00 × 10⁸ = 2,60 × 10⁻¹⁵ s

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5. Célérité de l’onde dans le polycarbonate : 𝑐_{𝑝𝑜𝑙𝑦} =𝑐

𝑛=3,00 × 10⁸

1,55 = 1,94 × 10⁸ m ⋅ s⁻¹ 6. Le retard entre les ondes réfléchies (1) et (2) vaut donc :

𝜏 = 2𝑒

𝑐_{𝑝𝑜𝑙𝑦} = 1,29 × 10⁻¹⁵ s On a bien :

𝜏 ≈𝑇 2 La condition de l’interférence destructive est bien respectée.

7. Le retard entre les ondes réfléchies (1) et (2) serait doublé et on aurait : 𝜏 ≈ 𝑇 : l’interférence serait alors constructive. Comme elle l’est forcément lors des transitions « plat – plat » et « creux -creux », le lecteur ne lirait plus que des « 0 » !

8. C’est la diffraction.

9. Diamètre : 1,4µm. La tache n’empiète pas sur les pistes voisines.

10. Du CD au Blu-ray : les progrès techniques ont permis d’augmenter l’ouverture numérique des associations laser-lentille et de diminuer la longueur d’onde du faisceau émis. Ces deux facteurs contribuent à réduire le diamètre de la tache d’Airy, donc diminuent l’importance du phénomène de diffraction. Cela a permis de resserrer les pistes, donc d’augmenter la capacité de stockage des disques optiques sans modifier leur taille.

En conclusion de l’activité on pourra projeter et commenter les illustrations suivantes (source : :

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Document professeur pour l’activité n°2

Comment distinguer le CD du DVD ?

Description de l’activité :

Fiche(s) de synthèse mobilisée(s) Fiche 7.a : la diffraction des ondes Fiche 7.b : interférences

Type d’activité Activité expérimentale sous forme de problème ouvert.

Conditions de mise en œuvre → demi-groupe

Matériel utilisé

Paillasses des élèves :

→ banc d’optique et supports

→ écran A4 percé d’un petit trou (de la taille d’un trou de perforatrice)

→ laser

→ CD et DVD dont la face imprimée est effacée ou masquée.

→ pince, tige et noix de serrage pour faire tenir le disque au-dessus du banc d’optique

→ double décimètre

→ mètre ruban

Place dans la séquence → Les séquences 7 et 8 doivent avoir été traitées auparavant.

→ Traiter cette activité après l’activité 1 : du CD au Blu-ray.

ANA

– Choisir les moyens à mettre en œuvre pour résoudre le problème posé.

– Identifier la distance entre les taches observées comme le paramètre à mesurer.

– Relier les mesures du pas à la capacité de stockage du disque.

– Proposer les étapes d’une démarche permettant d’identifier les trois types de disque.

– Rédiger le protocole de l’expérience conçue.

REA

– Réaliser les mesures de distances.

– Utiliser la règle et le mètre ruban avec la meilleure précision.

– Manipuler le laser en respectant les consignes de sécurité.

– Faire les calculs numériques des pas des trois disques.

COM

– Utiliser un vocabulaire scientifique adapté.

– Justifier ses choix et/ou sa stratégie.

– Décrire clairement les observations et la démarche suivie pour classer les deux disques par capacité de stockage croissante.

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Éléments de réponses, démarche attendue, éventuels résultats expérimentaux : Protocole :

– Réaliser le dispositif schématisé ci-dessous pour chacun des deux disques optiques présents :

– Pour chacun d’eux :

→ Mesurer la distance D entre le disque et l’écran.

→ Mesurer la distance d entre la tache centrale et une tache voisine.

→ Calculer le pas du disque optique à l’aide de la relation donnée.

– Le classement par capacité de stockage croissante est le classement par pas décroissant.

Résultats :

Avec un laser rouge (523 nm) :

CD DVD

𝑑 17,5 cm 14,5 cm

𝐷 22,5 cm 7,0 cm

𝑝 1,5 µm 0,74 µm

Le CD est celui qui a le pas le plus élevé et le DVD le pas le plus faible.

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Document professeur pour l’activité n°3

Le fonctionnement de l’écran à cristaux liquides

Description de l’activité :

Fiche(s) de synthèse mobilisée(s) Fiche n°6 : ondes électromagnétiques et polarisation

Type d’activité activité expérimentale

Conditions de mise en œuvre demi-groupe

Matériel utilisé

Paillasses des élèves :

→ banc d’optique et portes lentilles

→ lanterne munie d’un verre dépoli

→ deux filtres polarisants sur pied

→ écran blanc

→ afficheur LCD modifié (voir annexe ci-après)

→ GBF + connectique

Place dans la séquence Activité à placer en fin de séquence.

ANA :

– Faire le lien entre le résultat de l’expérience et l’activité optique du cristal liquide, sous tension et hors tension.

– Proposer les étapes d’un protocole permettant la mesure du pouvoir rotatoire du cristal liquide.

– Relier les observations expérimentales des effets d’un cristal liquide sur la lumière polarisée au fonctionnement de l’afficheur LCD.

REA :

– Manipuler en sécurité les accessoires usuels en optique.

– Réaliser la mesure d’un pouvoir rotatoire.

COM :

– Décrire clairement les observations lors de l’étude de l’afficheur découpé.

– Utiliser un vocabulaire scientifique adapté pour expliquer le fonctionnement de l’afficheur.

Éléments de réponses, démarche attendue, éventuels résultats expérimentaux :

Partie 1 :

Les deux filtres polarisants sont croisés à 90°.

Partie 2

Les élèves peuvent utiliser soit la zone 3 (avec un filtre polarisant tournant en sortie) soit la zone 4 de l’afficheur (avev deux filtres tournant placés de part et d’autre). Ils déterminent :

– que hors tension, le cristal liquide a un pouvoir rotatoire de 90°

– que sous tension, le cristal liquide n’a pas d’activité optique.

Partie 3

Les élèves rassemblent les résultats expérimentaux pour expliquer pourquoi, lorsqu’il est mis sous tension, une cellule de cristal liquide donne un point noir sur un écran LCD.

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ANNEXE :

Réalisation de la maquette « afficheur LCD »

Le texte ci-dessous est une copie d’écran du sujet d’ECE proposé à la session 2014 et désormais publié comme « sujet zéro » sur le site : http://eduscol.education.fr/physique-chimie/enseigner/ressources-pour-les-examens/baccalaureats- generaux-et-technologiques/baccalaureat-stl.html