TP n 4 : Etude de sources de lumière Spectre de corps noir et loi de Wien

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1 TP n 4 : Etude de sources de lumière Spectre de corps noir et loi de Wien I. Etude de quelques sources de lumière Objectif : - Obtenir expérimentalement les spectres de quelques sources de lumière, et les comparer. Matériel : - Spectromètre à fibre optique muni de branché + logiciel Spectro Quantum + Ordinateur - Différentes sources de lumière : lampe à incandescence, lampe fluorescente, lampe de vapeur au mercure, LED verte, LASER rouge. I.1. Documents sur les sources de lumière Document n 1 : Sources artificielles de lumière La lampe à incandescence est formée d un filament de tungstène, porté à haute température (2500 C) par le passage d un courant électrique. Alors, le tungstène émet de la lumière. L ampoule est remplie d un gaz inerte (argon), qui permet de ralentir la détérioration du filament. Seulement 5% de l énergie électrique est transformée en lumière visible. Le reste est libéré sous une forme thermique : émission d infrarouge. Les lampes halogènes sont des lampes à incandescence dont l atmosphère gazeuse contient des dihalogènes (dibrome Br 2 ou diiode I 2 ). Cela permet d accentuer la luminosité, et de ralentir la sublimation du tungstène. On obtient ainsi des lampes plus lumineuses et à durée de vie plus longue. Le rendement est de 10% environ. Les tubes fluorescents ou fluocompacts sont des tubes à décharge : une décharge électrique est générée dans un mélange de gaz rares et de vapeur de mercure ; cela produit des UV qui frappent le revêtement fluorescent de la lampe. La lumière UV est atténuée : elle se transforme en lumière blanche. On trouve aussi des lampes à vapeur : ce sont des lampes qui contiennent un gaz déterminé qui conditionnera la couleur de la lumière émise (mercure = bleu-blanc / sodium = jaune-orangé / néon = rouge). Leur fonctionnement est le même que pour les tubes à décharge. Elles sont utilisées en particulier dans la conception des enseignes publicitaires, éclairages publics Leur rendement est de 30% environ. Les lasers permettent d obtenir des faisceaux de lumière fins, intenses et de grande portée. Le mélange gazeux excité produit une lumière intense, très directive et parfaitement monochromatique. Inventé dans les années soixante, le laser fait partie de notre quotidien depuis longtemps (lecteurs CD, DVD, Blu-ray), imprimante laser, télémétrie, télécommunications optiques, guidage de missiles, découpe ultra précise (métaux), nettoyage de monuments historiques, outil des ophtalmologistes et des dermatologues, spectacles en plein air, Les diodes électroluminescentes (DEL) ou LED (light emitting diode) sont des diodes qui émettent de la lumière lorsqu elles sont soumises, dans le sens direct, à une tension supérieure à leur tension de seuil (Us=1,6V pour les DEL usuelles). Elles sont utilisées comme lampes-témoin, dans les tableaux d affichage, dans certaines lampes frontales ou de plongée. Elles possèdent une très grande durée de vie ; leur inconvénient majeur est qu elles éclairent dans un cône assez étroit. 15

2 Document n 2 : Deux types de production de lumière Le rayonnement thermique, ou rayonnement par incandescence, est provoqué par une élévation de température, c est-à-dire par l accroissement de l agitation des particules au niveau microscopique. Le rayonnement par luminescence résulte de l excitation des atomes et des molécules par différents mécanismes (décharge électrique, absorption de rayonnement bombardement d électrons, ) sans élévation de température. Document n 3 : Domaines visible, ultraviolet et infrarouge Document n 4 : Acquisition expérimentale d un spectre de lumière Pour obtenir le spectre d une source de lumière, on utilise un spectromètre, capable de décomposer la lumière d une source en ses radiations visibles. On obtient un spectre entre 400 nm et 800 nm, environ. C est le domaine visible! Ouvrir le logiciel Spectro Quantum. spectrophotomètre par port USB. Cliquer sur le mode «Intensité» normalement. Vérifier la connexion du, qui est le mode par défaut, Pour faire apparaître les couleurs du spectre cliquer sur l avant dernière icône du menu : Diriger ensuite la source lumineuse vers l entrée du spectromètre : son spectre apparaît à l écran. Pour «figer» le spectre, on clique sur l icône. Pour une copie d écran du spectre, on fait une impression écran «Imp. Ecran» sur le clavier. On colle l image ensuite dans WORD, par exemple. I.2. Analyse des documents n 1 à 3 Après lecture et analyse des documents 1 et 2 présentés ci-dessus, répondre aux questions suivantes : 1. Pourquoi les lampes à filament sont-elles progressivement retirées de la vente? 2. Une lampe à décharge contenant uniquement du mercure gazeux pourrait-elle servir pour l éclairage domestique? Justifier. 3. Classer les sources de lumière selon leur type d émission : incandescence ou luminescence. 16

3 Appel n 1 : Appeler le professeur pour qu il évalue vos réponses (A) réponses correctes (B) 1 ou 2 réponses fausses (C) 3 ou 4 réponses fausses (D) plus de 4 réponses fausses I.3. Obtention de spectres d émission Après avoir bien lu le document 3, réaliser les spectres des six sources de lumière disponibles, et coller les acquisitions sous MS WORD. Appel n 2 : Appeler le professeur pour qu il vérifie vos mesures (A) : réussi (B) : aide partielle (C) : aide intense (D) : échoué 4. Quel est (ou quels sont) le(s) spectre(s) provenant de sources monochromatiques? Justifier. 5. Quelle est la seule source de lumière qui chauffe beaucoup, quand elle fonctionne? Cela correspond-il aux informations sur le rendement de l ampoule? 6. Combien de raies majeures contient le spectre de la lampe à vapeur de mercure? Comment expliquez-vous (à l aide du TP précédent) la couleur de la lumière de cette lampe? Cela correspond-il aux informations sur le rendement de l ampoule? Appel n 3 : Appeler le professeur pour qu il évalue vos réponses (A) réponses correctes (B) 1 ou 2 réponses fausses (C) 3 ou 4 réponses fausses (D) plus de 4 réponses fausses II. Etude du corps noir et loi de Wien Objectif : étudier la couleur des corps chauffés et découvrir la loi de Wien. Document n 5 : Le corps noir, la loi de Wien Un corps noir est un objet théorique qui absorberait toutes les radiations qu il reçoit en n en réfléchissant aucune. Le spectre de la lumière émise par un tel corps serait continu et ne dépendrait donc que de sa température. L objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l intérieur d un four. C est d ailleurs en utilisant un four que le physicien allemand Wilhelm Wien ( ) met en évidence une loi empirique (qui découle de l expérience et non d une théorie), la «loi de Wien», pour laquelle il obtient le prix Nobel de Physique en Cette loi établit une relation entre la longueur d onde de la radiation la plus lumineuse émise par un corps noir (notée λ max, et s exprimant en mètre), et sa température T exprimée en Kelvin : T w max w est une constante égale à 2, m.k 17

4 Document n 6 : Température d un corps La température T d un corps est liée à l agitation des molécules. Le «zéro» de l échelle Kelvin (appelé «zéro absolu») correspond à l absence totale d agitation au niveau atomique. Cela équivaut à = -273,15 C. La relation entre les échelles de température Kelvin et Celsius est : T (K) = ( C) + 273,15 II.1. Mesures de la longueur d onde λ max Des physiciens de l observatoire de Paris-Meudon ont mesuré les intensités de six corps noirs (chacun ayant une température bien déterminée) pour différentes valeurs de longueurs d onde. On obtient un tableau de données, où ils ont pu tracer la courbe de corps noir de chaque source. - L intensité de la source est notée «IT3500» (pour Intensité à une Température de 3500 K), «IT4500», etc - La longueur d onde d étude est notée «λ» et s exprime directement en nm (nanomètre). Elle varie de 200nm à 2000nm. Ouvrir le fichier «spectres_corps_noir.ltp» (fichier Latis Pro). Trois courbes sont déjà affichées. L aide de l outil «réticule» (clic droit), rechercher la longueur d onde correspondant au maximum de la courbe d intensité lumineuse. Réitérer la mesure pour les deux autres courbes. Afficher ensuite une à une les trois courbes restantes, en faisant glisser le nom de la courbe dans la fenêtre graphique. Voir ci-dessous (exemple pour faire glisser la courbe «IT3500») : Compléter alors le tableau suivant : Température T (en K) λ max (en nm) λ max (en m) Appel n 4 : Appeler le professeur pour qu il valide vos mesures (A) autonomie totale (B) aide pour λ max (C) aide pour λ max et tableau incomplet (D) tableau non rempli 18

5 II.2. Exploitation des mesures Pour retrouver la loi de Wien, on se propose de multiplier λ max par T. Compléter la ligne ci-dessous. λ max T 7. Que remarque-t-on? 8. Noter la valeur moyenne (avec son unité) : Les six sources lumineuses que vous venez d étudier sont des étoiles. 9. Conclusion : les étoiles peuvent-elles être assimilées à des corps noirs? Justifier précisément. Appel n 5 : Appeler le professeur pour qu il valide vos calculs (A) a réussi sans aide (B) a reçu un peu d aide (C) a reçu beaucoup d aide (D) n a pas réussi III. Le spectre du soleil Objectif : appliquer la loi de Wien à quelques spectres d étoiles On s intéresse maintenant au spectre du soleil. Ci-dessous est représenté son profil spectral, c est-à-dire l'intensité lumineuse des radiations émises, en fonction des longueurs d'onde. La première courbe est le profil spectral du Soleil (avec les pics). La deuxième courbe représente l'allure globale du spectre du soleil. On remarque 6 pics vers le bas très marqués pour des longueurs d'onde d'environ 410 nm, 434 nm, 486 nm, 517nm, 588 nm et 656 nm. L'hydrogène absorbe aux longueurs d'onde suivantes : 410 nm, 434 nm, 486 nm, et 656nm. L'hélium absorbe aux longueurs d'onde suivantes : 447 nm, 471 nm, 492 nm, 502nm, 588 nm et 668 nm. 10. A quoi correspond chaque pic vers le bas? 19

6 11. En quoi le profil spectral d'une étoile est-il plus précis que son spectre lumineux? (Deux arguments). 12. Quelle espèce chimique est facilement identifiable sur le spectre du Soleil? Est-ce cohérent avec ce que l'on trouve dans les livres : «La masse du Soleil est constituée à 75% d'hydrogène.»? 13. Y-a-t-il un indice qui laisse supposer que l'hélium (25% restants) pourrait être présent dans le spectre du Soleil? Que faudrait-il faire pour s'en assurer avec précision? 14. En utilisant la loi de Wien, indiquer quelle est la température approximative de la surface de notre Soleil. 15. Application de la loi de Wien à d autres étoiles : A partir de l animation «loi_wien_simul.swf», on peut faire varier la température d une étoile (se comportant comme un corps noir) et regarder comment évolue son profil spectral. - Comment évolue la couleur d une étoile par rapport à sa température de surface? - Expliquer la couleur d une étoile à 2500 C en surface environ, dont le maximum d émission est dans l infrarouge. Même question pour une étoile à 8500 C en surface environ, dont le maximum d émission est dans l ultraviolet? - Pour le Soleil, comment expliquer que la couleur perçue dans l espace (blanche) ne corresponde pas à la couleur de la radiation associée à λ max? Appel n 6 : Appeler le professeur pour qu il évalue vos réponses (A) réponses correctes (B) 1 ou 2 réponses fausses (C) 3 ou 4 réponses fausses (D) plus de 4 réponses fausses 20