I) Introduction : qu'est ce qu'un spectre? - Définitions

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1 TP n 7 Chapitre 10 : Les messages de la lumière dans l'univers : Comment obtient on le spectre d'une source lumineuse...? (Partie 1) "La lumière est un cadeau de l'univers qui nous arrive sous forme de messages codés. C'est extraordinaire" Tranh Xuan Thuan (astrophysicien, professeur à l'université de Virginie, USA) Objectifs : - Comment peut on décrire la richesse d'une lumière dans un spectre? - A quoi peuvent ressembler les spectres lumineux de différentes sources de lumière? Ont elles toutes le même spectre? I) Introduction : qu'est ce qu'un spectre? - Définitions Spectre : c'est l'ensemble des lumières de couleur qui composent une lumière étudiée. Par exemple, la lumière du soleil passant par des gouttes d'eau, par temps de pluie, produisent le phénomène d'... dans lequel on voie les lumières de couleurs (essayer de respecter l'ordre de ces dernières) :... On associe généralement à ces lumières de couleurs une grandeur appelée longueur d'onde, notée λ, et dont on a vu en cours la définition lorsqu'on a parlé des ondes. 1. Compléter les cases ci-dessus du tableau avec les 7 couleurs (ou teintes) identifiées de l'arc-en-ciel correspondant aux 7 domaines de longueurs d'onde ci-dessus. On peut dès lors associer à la définition de spectre, deux adjectifs qualificatifs suivants : Spectre continu : les lumières colorées qui composent une lumière étudiée varient progressivement sans discontinuité (c'est le cas de la lumière aperçue dans le phénomène de l'..., entre autres...), d'une longueur d'onde à l'autre (on en verra au cours de ce TP). Spectre discret, dit "de raies" : les longueurs d'ondes des lumières colorées qui composent une lumière donnée sont en nombre fini et sont distinctes les unes des autres (on en verra au cours de ce TP). 2. De quelle nature est alors le spectre de la lumière du soleil, d'après vous? Justifier.

2 II)Décomposition d'une lumière pour obtenir son spectre 1) Décomposition par un prisme Expérience n 1 : Allumer la lampe (boîtier noir muni de miroirs latéreaux amovibles) située sur votre paillasse à l'aide du générateur et identifier le côté éclairant muni d'une simple fente. Prendre un prisme de plexiglas de base triangulaire équilatérale. Poser le prisme sur sa base triangulaire de façon à ce qu'une de se faces rectangulaires soit devant la fente de lumière. Observer la fente de lumière à la sortie du prisme et la projeter sur un écran (situé sur la paillasse). Ajuster l'orientation du prisme devant la fente de lumière de façon à réaliser au mieux la décomposition de la lumière blanche qu'émet la source. Appeler le professeur Faire ci-contre un schéma de ce que l'on voit sur l'écran : Décomposition de la lumière : c'est l'opération de séparation dans l'espace des qui composent une lumière étudiée et qui sont toutes... avant décomposition. 3. Pourquoi peut on dire qu'on a obtenu le spectre de la lumière produite par la source? 4. Cela est il comparable avec ce que l'on observe dans un arc-en-ciel? Que peut on en déduire à première vue quant à la nature de ces 2 sources de lumière? Justifier.

3 2) Décomposition par un réseau : le spectroscope à réseau Il y a d'autres moyens d'obtenir le spectre d'une source de lumière, car le prisme n'est pas très pratique : en effet, le spectre obtenu est dévié et n'est pas obtenu dans la même direction que le rayon décomposé! Il existe aussi le réseau, objet optique aux propriétés particulières. Réseau optique : c'est un instrument d'optique obtenu par un grand nombre N de traits parallèles, réalisés par gravure à la surface d'un milieu transparent. N peut varier de quelques 10 à 1000 traits/mm : ils sont invisibles à l'oeil nu car trop rapprochés. Spectroscope à réseau : c'est un instrument d'optique équipé d'un réseau qui permet l'observation directe d'un spectre d'une source de lumière donnée. Réseau optique vu au microscope On présente ci-contre le spectroscope à main, il suffit de : Mettre son oeil proche devant l'ouverture notée "réseau" Viser précisément la source de lumière qu'on veut décomposer, sans trop bouger. Visualiser, à l'intérieur de la boîte, le spectre affiché sur les graduations (voir ci-contre : échelle graduée) On va donc, maintenant, à l'aide de ce spectroscope rudimentaire, observer différentes sources de lumière pour en observer leur spectre respectif : on peut dessiner les spectres dans l'ordre qu'on voudra, le tout étant de ne pas gêner les autres groupes! III)Spectre d'émission d'un corps

4 Pour qualifier les spectres observés, on pourra utiliser les termes : continu, discret, "de raie", monochromatique, polychromatique, hydride 1) Différents types de sources de lumière a) Source de lumière "Au sodium" Expérience n 2 : Observer directement à l'aide d'un spectroscope à réseau le spectre d'une lampe à sodium (Na). Représenter ci contre le spectre observé (faire figurer, même approximativement, les longueurs d'onde "remarquables"). 5. Comment peut on qualifier le spectre de cette source? Justifier. b) Source de lumière "Au mercure" Expérience n 3 : Procéder de la même manière que précédemment pour cette nouvelle source de lumière, la lampe à vapeur de mercure (Hg). 6. Comment peut on cette fois qualifier le spectre de cette source? c) Lampe "moderne" : lampe fluocompacte Expérience n 4 : Procéder de la même manière que précédemment pour cette nouvelle source de lumière, la lampe fluocompacte (paillasse professeur). 7. Comment peut on cette fois qualifier le spectre de cette source? 8. Qu'est ce qui a changé par rapport aux spectres des 2 autres lampes à vapeur de gaz? 9. Pourquoi peut on parler, pour toutes ces sources, de spectre d'émission? Justifier.

5 Spectre d'émission : c'est le spectre d'une lumière qu'une source nous envoie sans... d'autre milieu avant sa.... Appeler le professeur 2) Les corps chauds Parmi les source de lumière usuelles, il faut aussi mentionner la lampe à incandescence dont le fonctionnement repose un filament de tungstène (élément de symbole W), métal qui est chauffé par le passage d'un courant électrique. Le filament est porté à incandescence et atteint une température très élevée. Expérience n 5 : Observer le spectre de la lampe à incandescence en faisant varier l'éclat de la lampe à l'aide du curseur du générateur (ATTENTION à ne pas dépasser 220 V). 10.Lorsque l'éclat augmente, comment évolue la température du filament d'après vous? 11.Comment évolue également la couleur apparente de cette source en fonction de son éclat? 12.Son spectre est il continu? 13.Les longueurs d'onde sont elles toutes de même intensité dans le spectre observé? 14.Comment évolue le spectre en fonction de son éclat? Quelles sont les couleurs qui apparaissent en premier? En dernier, lorsqu'on fait augmenter l'éclat de la lampe? Un corps "chaud" émet un spectre..., dont le... d'intensité lumineuse dépend de la.... Plus le corps est..., plus le... d'intensité lumineuse se déplace vers les... longueurs d'onde.