Transmettre l'information — Terminale Bac Pro ERA-MA
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter le schéma d'un système de transmission :
... → Canal de transmission → ...
a) Quel est le premier élément ? ...
b) Quel est le dernier élément ? ...
a) Émetteur
b) Récepteur
Schéma complet : Émetteur → Canal de transmission → Récepteur
Classer chaque technologie : propagation libre ou guidée ?
| Technologie | Type |
|---|---|
| WiFi | ... (libre / guidée) |
| Fibre optique | ... (libre / guidée) |
| Bluetooth | ... (libre / guidée) |
| Câble Ethernet | ... (libre / guidée) |
WiFi → libre
Fibre optique → guidée
Bluetooth → libre
Câble Ethernet → guidée
a) Quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ? c = ... m/s
b) Quelle est la vitesse du son dans l'air ? v ≈ ... m/s
c) Laquelle est la plus rapide ?
a) c = 3 × 10⁸ m/s
b) v ≈ 340 m/s
c) La lumière est environ 1 million de fois plus rapide que le son.
Vrai ou Faux ? Justifier si faux.
a) Le son peut se propager dans le vide.
b) Le WiFi utilise des ondes électromagnétiques.
a) FAUX. Le son est une onde mécanique, il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, béton) pour se propager.
b) VRAI. Le WiFi utilise des ondes radio (ondes électromagnétiques).
a) Quel signal transporte une fibre optique : de l'électricité ou de la lumière ?
b) Comment appelle-t-on le phénomène qui permet de guider la lumière dans la fibre ?
a) La fibre optique transporte de la lumière.
b) La réflexion totale interne.
Barème : 20 points
Un menuisier agenceur utilise un talkie-walkie pour communiquer avec son collègue sur un chantier.
a) Quel est l'émetteur dans ce système ?
b) Quel est le canal de transmission ?
c) Quel est le récepteur ?
a) L'émetteur est le talkie-walkie de l'expéditeur (qui transforme la voix en signal radio).
b) Le canal de transmission est l'air (propagation des ondes radio).
c) Le récepteur est le talkie-walkie du collègue (qui reconvertit le signal en son).
Classer chaque technologie : propagation libre ou guidée ?
| Technologie | Type |
|---|---|
| Câble téléphonique | ... (libre / guidée) |
| Satellite | ... (libre / guidée) |
| Fibre optique | ... (libre / guidée) |
| 4G/5G | ... (libre / guidée) |
Câble téléphonique → guidée
Satellite → libre
Fibre optique → guidée
4G/5G → libre
a) Un signal WiFi met-il plus ou moins de temps qu'un son pour traverser une pièce de 10 m ?
b) Calculer le temps mis par le son pour parcourir 10 m.
c) Calculer le temps mis par le signal WiFi pour parcourir 10 m.
a) Le signal WiFi met beaucoup moins de temps (il se propage à la vitesse de la lumière).
b) \(t = \dfrac{10}{340} \approx \mathbf{0{,}029}\) s ≈ 29 ms
c) \(t = \dfrac{10}{3 \times 10^8} \approx 3{,}3 \times 10^{-8}\) s = 33 ns (quasi instantané)
Vrai ou Faux ? Justifier si faux.
a) La fibre optique transporte de l'électricité.
b) Les ondes radio peuvent se propager dans le vide (espace).
a) FAUX. La fibre optique transporte de la lumière (signal lumineux), pas de l'électricité.
b) VRAI. Les ondes radio sont des ondes électromagnétiques, elles se propagent dans le vide (c'est ainsi que les satellites communiquent).
a) De quoi est composée une fibre optique (2 parties principales) ?
b) Quel phénomène physique permet de guider la lumière à l'intérieur ?
a) Une fibre optique est composée d'un cœur (en verre ou silice, indice n₁ élevé) et d'une gaine optique (indice n₂ plus faible).
b) La réflexion totale interne : la lumière rebondit à l'interface cœur/gaine sans s'échapper.
Barème : 20 points
Un installateur d'agencement câble un immeuble de bureaux. Il doit choisir entre câble Ethernet cuivre et fibre optique pour le réseau vertical (backbone entre les étages).
a) Citer deux avantages de la fibre optique par rapport au câble cuivre.
b) Quel est le principal inconvénient de la fibre optique ?
a) Deux parmi : débit très élevé (> 10 Gbit/s), insensible aux perturbations électromagnétiques, faibles pertes sur longue distance, légère et fine.
b) La fibre est fragile à la courbure excessive (un rayon de courbure trop petit casse la réflexion totale).
Pour une condition de réflexion totale dans une fibre optique :
a) Quelle relation doit exister entre l'indice du cœur (n₁) et l'indice de la gaine (n₂) ?
b) Que se passe-t-il si l'angle d'incidence est inférieur à l'angle critique ?
a) Il faut que n₁ > n₂ (indice du cœur supérieur à celui de la gaine).
b) Si l'angle d'incidence est inférieur à l'angle critique, la lumière traverse la gaine et s'échappe : il n'y a pas de réflexion totale, le signal est perdu.
Un menuisier agenceur installe un système domotique dans une maison. Les volets roulants sont commandés par des signaux radio à la fréquence de 868 MHz.
a) S'agit-il d'une propagation libre ou guidée ?
b) Ces ondes peuvent-elles traverser les murs ? Avec quel inconvénient ?
a) Propagation libre (sans fil, ondes radio).
b) Oui, les ondes radio peuvent traverser les murs, mais elles sont atténuées par les matériaux (surtout le béton). Des répéteurs peuvent être nécessaires.
Comparer le câble téléphonique (cuivre, 6 Mbit/s max) et la fibre optique (> 10 Gbit/s).
a) Combien de fois le débit de la fibre est-il supérieur à celui du câble téléphonique ?
b) Pourquoi le déploiement de la fibre est-il une priorité pour les entreprises ?
a) \(\dfrac{10\,000}{6} \approx \mathbf{1\,667}\) fois supérieur.
b) Les entreprises ont besoin de débits élevés pour le transfert de fichiers volumineux (plans, images 3D, visioconférences), le cloud computing et les outils collaboratifs en ligne.
Sur un chantier, un électricien doit choisir entre filaire et sans fil pour un système d'alarme incendie.
a) Citer un avantage du filaire et un avantage du sans fil.
b) Dans quel cas privilégierait-on le sans fil ?
a) Filaire : plus fiable, pas d'interférences. Sans fil : pas de câblage à tirer, installation plus rapide.
b) Le sans fil est privilégié en rénovation quand il n'est pas possible de tirer des câbles dans les murs existants.
Barème : 20 points
Un ébéniste équipe son atelier d'un réseau informatique pour relier ses machines à commande numérique (CNC) à un ordinateur central. Il hésite entre le WiFi et le câble Ethernet.
a) Citer deux avantages du câble Ethernet par rapport au WiFi.
b) Quel est le principal avantage du WiFi ?
a) Deux parmi : débit plus stable, pas d'interférences (poussière de bois, machines ne perturbent pas le signal), latence plus faible, connexion plus fiable.
b) Le WiFi ne nécessite pas de câblage, ce qui facilite l'installation et permet la mobilité.
Pour la réflexion totale dans une fibre optique :
a) La lumière se propage du cœur vers la gaine. Quelle condition sur les indices n₁ (cœur) et n₂ (gaine) permet la réflexion totale ?
b) Que se passe-t-il si on plie trop la fibre ?
a) Il faut que n₁ > n₂ (indice du cœur supérieur à celui de la gaine).
b) Si on plie trop la fibre, l'angle d'incidence devient inférieur à l'angle critique : la lumière s'échappe de la gaine et le signal est perdu (atténuation ou coupure).
Un poseur de cuisines installe un système de pilotage domotique pour les éclairages et les prises d'une cuisine connectée. Le système utilise le protocole Zigbee à 2,4 GHz.
a) S'agit-il d'une propagation libre ou guidée ?
b) Quel problème peut survenir si la cuisine est entourée de murs en béton épais ?
a) Propagation libre (sans fil, ondes radio).
b) Les murs en béton épais atténuent fortement les ondes radio. Le signal peut être trop faible pour atteindre les équipements. Il faudra éventuellement ajouter des répéteurs ou choisir un système filaire.
Comparer le câble Ethernet Cat. 5e (100 Mbit/s, 100 m max) et la fibre optique (10 Gbit/s, plusieurs km).
a) Combien de fois le débit de la fibre est-il supérieur à celui du câble Ethernet Cat. 5e ?
b) Pourquoi la fibre est-elle préférable pour relier deux bâtiments distants de 500 m ?
a) \(\dfrac{10\,000}{100} = \mathbf{100}\) fois supérieur.
b) Le câble Ethernet Cat. 5e est limité à 100 m de longueur. Pour 500 m, il faudrait des répéteurs, ce qui complexifie l'installation. La fibre optique peut couvrir cette distance sans amplification et avec un débit bien supérieur.
Sur un chantier de rénovation, un technicien d'agencement doit choisir entre un interphone filaire et un interphone sans fil pour un immeuble de 4 étages.
a) Citer un avantage du filaire et un avantage du sans fil.
b) Lequel est le plus adapté en rénovation ? Justifier.
a) Filaire : plus fiable, pas de problème de batterie ni d'interférences. Sans fil : installation plus rapide, pas de travaux de câblage dans les murs.
b) Le sans fil est plus adapté en rénovation car il évite de saigner les murs pour passer les câbles, ce qui réduit les coûts et les nuisances pour les occupants.
Barème : 20 points
Une fibre optique monomode a un indice de cœur n₁ = 1,48 et un indice de gaine n₂ = 1,46.
a) Vérifier que la condition de réflexion totale est remplie.
b) Calculer l'angle critique : \(\theta_c = \arcsin\!\left(\dfrac{n_2}{n_1}\right)\).
a) n₁ = 1,48 > n₂ = 1,46 → condition remplie.
b) \(\theta_c = \arcsin\!\left(\dfrac{1{,}46}{1{,}48}\right) = \arcsin(0{,}9865) \approx \mathbf{80{,}6°}\)
Tout rayon arrivant avec un angle supérieur à 80,6° sera totalement réfléchi.
La lumière se propage dans une fibre optique en verre à environ v = 2 × 10⁸ m/s. Un signal lumineux parcourt une fibre de 100 km.
a) Calculer le temps de propagation du signal.
b) Comparer avec le temps que mettrait un signal sonore (340 m/s) pour parcourir la même distance.
a) \(t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{100\,000}{2 \times 10^8} = 5 \times 10^{-4}\) s = 0,5 ms
b) \(t_{\text{son}} = \dfrac{100\,000}{340} \approx 294\) s ≈ 4 min 54 s
Le signal lumineux dans la fibre est environ 588 000 fois plus rapide !
Un bureau d'études d'architecture doit transférer un fichier de plans 3D de 2 Go (= 16 Gbit) via son réseau.
a) Calculer le temps de transfert avec une connexion fibre optique à 1 Gbit/s.
b) Calculer le temps de transfert avec une connexion ADSL à 6 Mbit/s.
c) Conclure.
a) \(t = \dfrac{16}{1} = \mathbf{16}\) s
b) \(t = \dfrac{16\,000}{6} \approx 2\,667\) s ≈ 44 min
c) La fibre optique permet un transfert en 16 s contre 44 min en ADSL, soit environ 167 fois plus rapide. Pour un bureau d'études manipulant de gros fichiers, la fibre est indispensable.
Expliquer pourquoi la fibre optique est insensible aux perturbations électromagnétiques, contrairement au câble cuivre. Quel avantage cela procure-t-il dans un bâtiment industriel ?
La fibre optique transporte de la lumière (onde électromagnétique dans le verre), pas du courant électrique. Les champs électromagnétiques parasites (moteurs, transformateurs, câbles haute tension) n'ont aucun effet sur un signal lumineux.
Avantage : dans un bâtiment industriel avec beaucoup de machines électriques, la fibre garantit une transmission sans parasites, contrairement au câble cuivre qui peut capter des interférences.
Un ingénieur thermicien dimensionne le réseau de communication d'un immeuble neuf de 5 étages. Proposer un choix de technologie pour chaque usage et justifier :
a) Fibre optique : très haut débit nécessaire pour connecter tous les étages, longue distance (plusieurs dizaines de mètres), insensible aux parasites dans la gaine technique.
b) Câble Ethernet (RJ45 cat. 6A) : débit de 1-10 Gbit/s suffisant pour chaque poste, fiable, norme NF EN 50173 (distance max 90 m).
c) Sans fil (Zigbee ou Z-Wave) : pas besoin de câblage dédié pour les volets, faible consommation, facile à programmer.
Barème : 20 points
Une fibre optique multimode a un indice de cœur n₁ = 1,50 et un indice de gaine n₂ = 1,47.
a) Vérifier que la condition de réflexion totale est remplie.
b) Calculer l'angle critique : \(\theta_c = \arcsin\!\left(\dfrac{n_2}{n_1}\right)\).
a) n₁ = 1,50 > n₂ = 1,47 → condition remplie.
b) \(\theta_c = \arcsin\!\left(\dfrac{1{,}47}{1{,}50}\right) = \arcsin(0{,}98) \approx \mathbf{78{,}5°}\)
Tout rayon arrivant avec un angle supérieur à 78,5° sera totalement réfléchi.
Un signal électrique se propage dans un câble cuivre à environ v = 2 × 10⁸ m/s. Un signal parcourt un câble Ethernet de 80 m.
a) Calculer le temps de propagation du signal.
b) Comparer avec le temps que mettrait un signal sonore (340 m/s) pour parcourir la même distance.
a) \(t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{80}{2 \times 10^8} = 4 \times 10^{-7}\) s = 0,4 µs
b) \(t_{\text{son}} = \dfrac{80}{340} \approx 0{,}235\) s ≈ 235 ms
Le signal électrique est environ 588 000 fois plus rapide que le son.
Un menuisier agenceur doit transférer les fichiers de conception 3D d'un meuble (500 Mo = 4 000 Mbit) à l'atelier de fabrication via le réseau.
a) Calculer le temps de transfert avec une connexion WiFi à 50 Mbit/s.
b) Calculer le temps de transfert avec une connexion Ethernet filaire à 1 000 Mbit/s.
c) Conclure.
a) \(t = \dfrac{4\,000}{50} = \mathbf{80}\) s ≈ 1 min 20 s
b) \(t = \dfrac{4\,000}{1\,000} = \mathbf{4}\) s
c) Le réseau filaire permet un transfert en 4 s contre 80 s en WiFi, soit 20 fois plus rapide. Pour des fichiers volumineux de conception, le câble Ethernet est nettement plus efficace.
Expliquer pourquoi le câble cuivre est sensible aux perturbations électromagnétiques et comment les câbles blindés (STP) réduisent ce problème.
Le câble cuivre transporte des signaux électriques (courants). Les champs électromagnétiques parasites (moteurs, néons, câbles électriques voisins) peuvent induire des courants parasites dans le câble, ce qui perturbe le signal transmis (erreurs de données, ralentissements).
Les câbles blindés (STP = Shielded Twisted Pair) possèdent un écran métallique (feuille d'aluminium ou tresse de cuivre) autour des paires torsadées. Cet écran bloque les champs parasites extérieurs et protège le signal.
Un architecte d'intérieur dimensionne le réseau de communication d'un magasin de meubles de 3 niveaux. Proposer un choix de technologie pour chaque usage et justifier :
a) Fibre optique : très haut débit, insensible aux parasites dans la gaine technique, longue distance entre étages.
b) Câble Ethernet (RJ45) : fiable et stable pour les transactions financières, pas de risque de coupure WiFi pendant un paiement.
c) Sans fil (Bluetooth ou WiFi) : pas besoin de câblage dédié, facile à déplacer selon l'aménagement du magasin, débit suffisant pour de l'audio.