LUMIÈRES D'ÉTOILES Thème : Univers

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1 Chapitre 15 Physique/Chimie LUMIÈRES D'ÉTOILES Thème : Univers Questionnement : «L arc-en-ciel est une merveille de la Nature si remarquable, et sa cause a été de tout temps si curieusement recherchée par les bons esprits, et si peu connue, que je ne saurais choisir de matière plus propre à faire voir comment, par la méthode dont je me sers, on peut venir à des connaissances que ceux dont nous avons les écrits n ont point eues.». René Descartes, «Discours de la méthode». Pourquoi voit-on des couleurs alors que la lumière du Soleil est blanche? Comment expliquer la formation d un arc-en-ciel? Peut-on utiliser la lumière provenant des étoiles afin de les caractériser? I. La dispersion de la lumière blanche 1) Spectre de la lumière blanche Modélisation de l expérience historique de Newton sur la diffraction de la lumière : Newton a réalisé cette expérience en Il fait l obscurité dans une pièce et il a fait un trou afin qu un rayon lumineux perce la salle passant par une lentille jusqu à un prisme dont l image est obtenue sur un écran. Expérience n 1 : écran Observations : Expérience n 2 : Observations : On constate que la lumière de couleur est toujours moins déviée que la lumière de couleur Page 1 sur 6

2 Le prisme a décomposé la lumière blanche en un arc-en-ciel. La figure obtenue sur l écran correspond au de la lumière blanche qui a traversé le prisme. Qu est-ce qu un spectre lumineux? D après le dictionnaire Larousse, un spectre lumineux est l ensemble des radiations monochromatiques résultant de la décomposition d une lumière. 2) Lumières polychromatiques et monochromatiques La lumière blanche est une lumière : c est une lumière composée de plusieurs couleurs que l on appelle des radiations On peut donc la décomposer par un prisme. La lumière du laser est une lumière... : elle correspond à une seule couleur, une seule radiation On ne peut donc pas la décomposer par un prisme. 3) La longueur d onde Une radiation monochromatique est caractérisée, dans l air et dans le vide, par sa... On lui attribue la lettre λ et elle s exprime en mètre (m). Spectre continu de la lumière blanche domaine du visible 4) Réfraction (cf TP n 25 et n 26) La réfraction est le changement de direction d un faisceau lumineux passant d un milieu transparent à un autre. L angle de réfraction r dépend de l angle d incidence i et des indices de réfraction des milieux à travers la loi : Loi de Snell Descartes : = normale Rayon incident i n 1 Remarque : L indice de réfraction n d un milieu transparent et homogène est un nombre sans unité supérieur ou égal à 1 (n 1) et qui caractérise le milieu. r Rayon réfracté n 2 Page 2 sur 6

3 5) Application à la dispersion de la lumière par un prisme Exercice n 1 Un faisceau lumineux monochromatique issu d une source lumineuse traverse une cuve en forme de demi-cylindre contenant un liquide. La cuve est placée sur un disque gradué comme indiqué sur le schéma ci-contre. 1) Quel est le rayon réfracté parmi les rayons numérotés sur le schéma? 2) Schématiser l expérience. Indiquer les valeurs lues de l angle d incidence i et de l angle de réfraction r. air, n 2 liquide, n 1 angle d incidence i =... normale angle de réfraction r =... Page 3 sur 6

4 3) Calculer l indice de réfraction n 1 du liquide. Remarque : l indice de réfraction de l air est égal à n 2 = n air = 1,00. II. Les spectres 1) Spectres continus d origine thermique (cf TP n 27) Un corps chaud émet un spectre..., qui dépend de la.. de surface de ce corps. Plus la température de la source est chaude, plus le spectre de la lumière qui est émise s enrichit en couleurs. (courtes longueurs d ondes). La courbe qui représente l intensité lumineuse des radiations émises par un corps, en fonction des longueurs d onde de ces mêmes radiations, est appelée le profil spectral. Profil spectral de la lumière émise par un corps porté à différentes températures. L abscisse de son maximum permet d évaluer la température de surface de ce corps. Exercice n 2 Sur le graphique représenté ci-dessus, on observe le profil spectral de la lumière émise par un corps porté à différentes températures. 1) A 6000 C, dans quelle gamme de couleur est le maximum d émission d un corps chaud? 2) Et à 4000 C? Page 4 sur 6

5 2) Spectres de raies d un atome ou d un ion (cf TP n 27) Un gaz excité sous faible pression émet des radiations lumineuses de longueurs d onde caractéristiques. Le spectre de cette lumière est un spectre d. Il est constitué de raies sur fond noir et il est discontinu. Lorsque la lumière blanche traverse un gaz sous faible pression, certaines radiations sont absorbées par ce gaz. Le spectre de la lumière transmise par le gaz est un spectre d. Il est constitué de raies sur fond coloré et il est discontinu. Remarque : Chaque entité chimique (atome ou ion) possède un spectre de raies d émission ou d absorption spécifique, ce qui permet de l identifier (sa signature lumineuse). Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu elle est capable d émettre! RÉSUMÉ : Page 5 sur 6

6 III. Lumière d étoiles 1) Spectre d une étoile Le spectre de la lumière d une étoile est un spectre.. d origine.... entrecoupé de raies d... 2) Température de surface d une étoile La connaissance de la lumière dominante du spectre d une étoile permet de déterminer sa température de surface. Ainsi, les étoiles de couleur bleue sont plus que les étoiles de couleur rouge! 3) Composition chimique d une étoile La détermination des longueurs d onde des raies d absorption d un spectre stellaire (= d une étoile) permet d identifier les. et les présents dans son atmosphère. L enveloppe gazeuse du Soleil est essentiellement composée d hydrogène et d hélium! (gaz sous faible pression) Spectre de la lumière émise par l étoile à sa surface Spectre de la lumière quittant l étoile indications sur la composition de l enveloppe gazeuse de l étoile Spectre de la lumière avant de traverser l atmosphère terrestre Spectre de la lumière arrivant sur Terre indications sur la composition de l atmosphère terrestre identiques Page 6 sur 6