Chapitre 4 : Les messages de la lumière

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1 Chapitre 4 : Les messages de la lumière A- Réfraction et dispersion. I La réfraction (voir TP1) a)définition On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subit à la traversée de la surface de séparation de deux milieux transparents. b)première loi de Descartes Les rayons incidents, réfléchis et réfractés se retrouvent dans le même plan appelé le plan d incidence. c) Deuxième loi de Descartes. La relation qui existe entre l angle d incidence i 1 et l angle réfracté i 2 est : n 1. sini 1 = n 2.sini 2, n 1 étant l indice du milieu où se propage le rayon incident et n 2 celui où se propage le rayon réfracté. Lorsque le rayon incident se propage dans l air, on a sini 1 = n 2.sini Application : a) sur les schémas ci-dessous tracer (sans faire de calculs) le rayon réfracté. Placer les angles d incidence et de réfraction. Milieu 1 : air (n 1 =1,00) Milieu 1 : air (n 1 =1,00) Milieu 2 : eau (n 2 =1,33) Milieu 2 : plexiglass (n 2 =1,33) Milieu 1 : eau (n 1 =1,33) Milieu 2 : plexiglass (n2=1,33) Milieu 1 : air (n 1 =1,00) Milieu 2 : air (n 2 =1,00)

2 b) calculer l angle de réfraction pour le premier schéma en supposant que l angle d incidence vaut 25 II dispersion de la lumière blanche par un prisme 1) Expériences (voir TP) bilan Les lumières issus du laser et du filtre ne peuvent pas être décomposées par un prisme. Ces lumières ne diffusent qu une seule radiation lumineuse et sont dites monochromatiques. La lumière blanche est dite polychromatique car elle contient plusieurs radiations lumineuses monochromatiques. 2) Activité : expérience de Newton Cette représentation qui date du XIXe siècle illustre l expérience du prisme de Newton. Son expérience cruciale, elle, met en jeu deux primes. Le dessin est issu de ses manuscrits. C est d après cette expérience que Newton s appuie pour affirmer que la lumière blanche est composée d un ensemble de rayons colorés. A) Décris le dessin.

3 B) Quel est le rôle du premier prisme (à droite)? C) Pourquoi a-t-il fait plusieurs trous dans une planche? E) Quel est le rôle du deuxième prisme? F) A l époque on se demandait si le prisme modifiait la lumière ou s il la décomposait. Donne le résultat de l expérience de newton et conclus 3) Longueur d onde A chaque radiation monochromatique est associée une longueur d onde notée λ et qui s exprime généralement en nanomètre. Le spectre de la lumière blanche est dit continu car il contient toutes les longueurs d onde du visible qui vont de 400 à 800 nm. Ce spectre visible n englobe pas tous les radiations émises par la lumière blanche. Si λ < 400nm, les radiations sont dites ultraviolettes et si λ > 800nm elles sont dites infrarouges. III réfraction et dispersion. Pourquoi la réfraction des rayons lumineux (par un prisme par exemple) disperse-t-elle la lumière? (Voir activité B p203) La déviation des différentes radiations monochromatiques est différente après réfraction. Cela veut donc dire que l indice des milieux est propre à chaque radiation et donc à chaque longueur d onde. D après l activité plus la longueur d onde est petite, plus la déviation est grande. L indice de réfraction d un milieu est une fonction décroissante de la longueur d onde des radiations qui atteignent ce milieu. Exercices : 2p206, 12 p207, 14 p 207, 22 p209,( 25 p 210) B- Les spectres d émissions et d absorption (On utilisera les résultats du TP n 2) I Spectres d émission thermique a) Comment peut-on obtenir un spectre d émission thermique? b) Décris le spectre obtenu

4 c) Comment varie la couleur d un corps lorsque la température de celui-ci augmente? d) Décris alors l évolution du spectre de la lumière émise par ce corps lorsque la température augmente. e) Ecrire une conclusion Le spectre de la lumière émise par un corps chaud (source lumineuse thermique) est un spectre continu. (Par exemple le filament de tungstène à une température de 2700 ) la couleur d une source lumineuse thermique dépend de sa température. Remarque : d après le Tp, on peut ajouter que la lumière s enrichit en radiations de faibles longueurs d onde quand la température de la source augmente. II spectre d émissions d éléments chimiques ou spectres de raies a) Décrire ce qu on appelle un spectre de raies d émission. b) Comment fait on pour obtenir ce type de spectre? c) Comment varient les spectres d un élément à un autre? d) Peut-on identifier un élément d après son spectre? e) Ecrire un résumé des réponses précédentes Activité : retrace le spectre de raies du mercure λ (nm) 404,6 435,8 546,1 577,0 579,1 615,0 couleur violet bleu vert jaune jaune rouge Longueur d onde en nm Bilan : les lampes contenant des vapeurs métalliques ou un gaz émettent un spectre discontinu appelé spectre de raies. Ce n est pas la température de la lampe (300 C) qui est directement responsable du spectre mais les éléments chimiques présents sous forme de vapeur dans la lampe. Les spectres obtenus sont propres à éléments et permettent donc de les identifier Conclusion : si le spectre d une source lumineuse contient des raies dont la longueur d onde est caractéristique d une entité chimique, alors cette entité est présente dans cette source. Le spectre peut être comparé à une signature. III- Spectres d absorption A. Bandes d absorption Expérience : on reprend une des expériences du Tp spectres (réseau + rétro + fente) en plaçant sur le rétroprojecteur différentes solutions dans un cristallisoir. On place dans l ordre une solution de permanganate de potassium, une solution de sulfate de cuivre, une solution de chromate de potassium et une solution de chromate de potassium. 1. Rappelle ce que l on voit s il n y a pas de solution sur le rétro

5 2. Donne la couleur de chaque solution. 3. Décris pour chaque solution le spectre observé sur l écran. 4. Définir ce qu on appelle un spectre de bandes d absorption. 5. De quoi dépendent les bandes d absorption Interprétation : les bandes d absorption sont dues à des radiations manquantes qui ont étés absorbées par la solution ou la vapeur. Les emplacements de ces bandes noires permettent de caractériser certaines espèces chimiques présentes dans la solution. B. Raies d absorption a) Décrire ce qu on appelle un spectre de raies d absorption. b) Comment fait on pour obtenir ce type de spectre? IV- Relations entre spectres d émission et d absorption : a) Compare les raies d absorption et les raies d émission d un même élément chimique. Que constates-tu? b) Ecris une conclusion. Conclusion : un atome ne peut absorber que les radiations qu il est en mesure d émettre dans d autres conditions. Une raie d absorption donnée met en évidence la présence de l entité chimique sur le trajet de la lumière C est grâce a ce phénomène qu on peut identifier les éléments présent dans l atmosphère des étoiles. I : 5, 9 p 206 bilan : 8 p 207, 16 ( corrigé), 20 p 209, 29 p212 A- Réfraction et dispersion. I La réfraction 1) expérience d Archimède 2) bilan des activités a)définition b)première loi de Descartes c) Deuxième loi de Descartes. II dispersion de la lumière blanche par un prisme 1) Expériences 2) Activité : expérience de Newton 3) Longueur d onde III réfraction et dispersion. B- Les spectres d émissions et d absorption (On utilisera les résultats du TP n 2) I Spectres d émission thermique II spectre d émissions d éléments chimiques ou spectres de raies III- Spectres d absorption (voir exemple du TP ) A. Bandes d absorption B. Raies d absorption

6 IV- Relations entre spectres d émission et d absorption

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