La télémétrie laser |
SUP |
Afrique 2013 - Exercice 1 - 7 points |
« Déterminer le champ de gravité de la Terre, mesurer le niveau des océans et des glaciers, suivre la tectonique des plaques, étalonner les instruments spatiaux, étudier la Lune et les planètes, et même tester la physique fondamentale, toutes ces tâches nécessitent des mesures précises de distance, qui se font par télémétrie laser (…)
D’après Pour la Science, dossier n°53, octobre-décembre 2006,
L’exercice aborde quelques problématiques en lien avec le travail réalisé par les ingénieurs et chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), situé sur le plateau de Calern, près de Grasse dans les Alpes-Maritimes.
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Document 1
Le laser utilisé à l’OCA est un laser à Nd :YAG, constitué de cristaux de Grenat artificiels d’Yttrium et d’Aluminium (Y33+Al53+O122-) dopés par des ions Néodyme. L’inversion de population, réalisée par pompage optique, concerne ces derniers ions. Ce laser émet une radiation lumineuse de longueur d’onde 1064 nm. Mais un dispositif permet de doubler la fréquence, de sorte qu’il émet à la sortie du télescope, une radiation de longueur d’onde λ = 532 nm dans le vide. La fréquence \(\displaystyle\mathrm{ ν } \) d’une radiation lumineuse et sa longueur d’onde λ étant liées par la relation \(\displaystyle\mathrm{ c= λ \ ν } \) où c, est la célérité de la lumière. Un tir laser émet une centaine d’impulsions pendant une dizaine de secondes, chacune durant 20 ps. Chaque impulsion émet une énergie E = 200 mJ. |
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Document 2
À l’aide d’une horloge d’une très grande précision (∆t = 1ps ; 1ps = 10-12 s), la durée d’un aller-retour d’une impulsion émise par le laser, peut être enregistrée et la distance Terre-Lune dT-L est alors calculée automatiquement. Cinq réflecteurs, dont la surface réfléchissante est de l’ordre de s = 0,5 m2, ont été déposés, en différents points de la surface de la Lune, par les missions américaines (Apollo) et russes (Lunokhod) entre 1969 et 1973.
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Origine : tableau de l’Observatoire de Côte d’Azur, Oca.eu |
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Document 3
Tout faisceau lumineux diverge. À son départ, le faisceau laser a un diamètre D de deux mètres (…). La diffraction provoque donc une faible divergence, de un millionième de radian, soit un élargissement du faisceau de l’ordre du micromètre par mètre parcouru. Mais comme la distance Terre-Lune mesure la bagatelle d’environ 400 000 kilomètres, l’effet à l’arrivée est important. La diffraction se produisant de la même façon pour le faisceau retour, on ne détecte qu’une infime partie de cette lumière réfléchie : environ 2·10-18 millijoule par impulsion envoyée. D’après Pour la Science, dossier n°53, octobre-décembre 2006, |
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A l’aide de vos connaissances et des documents fournis, rédiger des réponses argumentées aux situations suivantes.
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