THÈME UNIVERS CHAPITRE I DISPERSION DE LA LUMIÈRE SPECTRES LUMINEUX

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1 TP PHYSIQUE SECONDE THÈME UNIVERS CHAPITRE I DISPERSION DE LA LUMIÈRE SPECTRES LUMINEUX T P 13 P page 1 / 8 NOM :... PRÉNOM :... CLASSE :... DATE :... I. DISPERSION DE LA LUMIÈRE BLANCHE a) Introduction l Expérience de Newton En 1666, Isaac Newton fait ses premières expériences sur la dispersion de la lumière. Pour se faire, il utilise un prisme en verre et la lumière du soleil. Ayant à cet effet obscurci sa chambre et fait un petit trou dans les volets, afin de laisser entrer une quantité convenable de rayons du Soleil, il plaça le prisme contre ce trou, pour réfracter les rayons sur le mur opposé. Il observa alors que la lumière sortant du prisme s étalait en une multitude de faisceaux colorés, reproduisant les couleurs de l arcen-ciel. Il examina chaque tâche de couleur et remarqua que la «partie bleue» était plus déviée par le prisme que la «partie». C est sur cette expérience que Newton s appuie pour affirmer que la lumière blanche est composée d un ensemble de rayons colorés et que le prisme dévie différemment ces rayons. Sa conclusion était révolutionnaire : la couleur est dans la lumière et non dans le verre! b) Décomposition de la lumière à l aide d un prisme Reconstituer l expérience de Newton en utilisant à la place de la lumière du soleil la lumière produite par une lampe à incandescence à travers une fente, comme indiqué ci contre. Faire pivoter le prisme afin de trouver l angle d incidence qui permettra de décomposer la lumière de la façon la plus large Vue de dessus du montage La figure observée sur l écran est appelé spectre de la lumière blanche 1) Décrire l aspect du spectre obtenu On observe sur l écran une surface constituée de couleurs passant progressivement du au violet sans discontinuités. On retrouve toutes les couleurs observées dans un arc en ciel 2) Reproduire ci-dessous la succession des radiations colorées observées sur le spectre vu de face sur l écran (préciser les couleurs extrêmes) Rouge Orange jaune Vert Bleu indigo 3) Quelles sont les couleurs du rayon lumineux le plus dévié et le moins dévié, par rapport à la direction initiale du rayon incident Par rapport à la direction initiale du rayon lumineux de lumière blanche il apparaît que les rayons lumineux violets sont les plus déviés alors que les rayons s sont les moins déviés 4) Observe t on toutes les couleurs? Citez quelques unes d entre elles : Toutes les couleurs observées dans la nature ne sont pas toutes présentes dans le spectre de la lumière blanche en effet on n observe pas de rayon lumineux marron, ni rose, blanc etc... 5) A quel phénomène est soumis le rayon incident et combien de fois Le phénomène physique qui se produit pour chaque traversée des deux faces du prisme est le phénomène de réfraction de la lumière 6) Reproduire les trajets des rayons lumineux, vert et violet (cliquer sur cette animation pour vous aider) 7) Observer sur cette animation la première réfraction de la lumière lors du passage de la lumière blanche de l air au prisme Comparer les valeurs des angles de réfraction du rayon r R du rayon vert r V et du rayon bleu r B Que peut-on affirmer Les rayons s verts et bleus sont réfractés de façon différentes les angles de réfractions correspondant sont différents Page 1 / 8

2 8) Origine de la dispersion de la lumière par un prisme On s intéresse à la première réfraction air/verre On rappelle que la loi de la réfraction vu au chapitre précédent dans le cas où le premier milieu est l air n air =1,0 peut s écrire : sin(i) = n 2.sin(r) a. Dans la première réfraction exprimer sin(r) en fonction de sin(i) pour chacun des rayons colorés vert et bleu présent dans le rayon incident de lumière blanche, sin(r R ) = sin(i R) n 2 sin(r V ) = sin(i V) n 2 sin(r B ) = sin(i B) n 2 b. que peut on dire des angles d incidence i R ;i V et i B des rayons vert et bleu présents dans le rayon de lumière blanche incident Les rayons incidents vert et bleu, se confondent dans le rayon incident de lumière blanche et donc i R =i V = i R = i c. et quelle conséquence entraînerait cette remarque sur les angles de réfraction r R ;r V et r B Comme i R =i V = i R = i alors d après les relations sin(r R ) = sin(i R) ; sin(r V ) = sin(i V) et sin(r B ) = sin(i B) seraient des n 2 n 2 n 2 quantités égales et par conséquent : r R ;r V et r B aussi.bref, la lumière blanche ne serait pas décomposée d. Est-ce conforme à vos observations : l angle de réfraction est il indépendant de la couleur du rayon lumineux? Ce n est pas conforme aux observations les rayons lumineux de couleurs différentes sont déviées de façon différente e. A quelle condition les expressions de la question 8 donneraient des valeurs différentes pour les sinus des angles de réfraction conformément à vos observations? Pour que ces expressions aient des valeurs différentes les numérateurs étant identiques il faut que les dénominateurs diffèrent selon la couleur du rayon lumineux considéré L indice de réfraction du verre constituant le prisme a des valeurs différentes selon la couleur du rayon lumineux considéré f. Conclure en définissant ce qu est un milieu dispersif (milieu capable de séparer les radiations lumineuses présentes dans un rayon lumineux)s Un milieu dispersif est un milieu transparent dont l indice de réfraction dépend de la couleur de la radiation lumineuse qui le traverse Ainsi pour chaque radiation colorée présente dans la lumière blanche il correspond un indice de réfraction différent 9) Pourquoi dit-on que la lumière blanche est polychromatique? Expliquer ce terme L expérience de Newton montre que la lumière blanche est constituée d une infinité de radiations lumineuses allant du au violet. Une lumière blanche est une lumière renfermant plusieurs radiations colorées 10) Une source laser est constituée d une lumière monochromatique qu est ce que cela signifie? À l inverse une lumière monochromatique est une lumière qui ne renferme qu une seule radiation lumineuse 11) Reproduire à l aide de l animation du site ostralo.net le trajet suivi par la lumière monochromatique d un laser à travers le prisme ainsi que l aspect du spectre observé (rappel les spectres sont observés dans l obscurité) La lumière produite par un laser ne peut pas être décomposée car elle est mono chromatique son spectre se réduit à une seule raie colorée sur un fond noir Laser vert vu de face sur l écran violet Page 2 / 8

3 c) Décomposition de la lumière à l aide d un réseau de diffraction Un réseau est une surface transparente comportant un très grand nombre de traits parallèles alternativement opaques et transparents et très rapprochés ( ex : 500 traits/mm). Un réseau est très fragile, il faut le manipuler sans mettre les doigts dessus. Placer le réseau de diffraction devant la fente en utilisant les deux rainure de la lanterne tel qu il est indiqué sur la figure ci-dessous en veillant à ce que les traits du réseau soit dans la même direction que la fente(le sens des traits apparaît sur le cadre du réseau) 1) Quelle est l aspect la figure observée sur l écran obtenu On observe des spectres multiples disposés symétriquement par rapport à la direction initiale du faisceau lumineux de lumière blanche Ces spectres sont d autant plus large et moins lumineux qu ils sont éloignés de la direction initiale du faisceau de lumière blanche 2) Reproduire sur la figure ci-dessous, l aspect des spectres observés de face sur l écran Vue de dessus du montage Aspect de la figure observée de face sur l écran On observe un grand nombre de spectres symétriquement disposés par rapport à la direction initalle du maiscau Radiation Rouge.. Radiation Radiation Radiation Rouge.. 3) Faire apparaître sur la vue de dessus du montage les trajets des radiations violette verte et bleu issue du réseau de diffraction 4) Quelles sont les radiations a. les plus déviées rapport à la direction initiale du faisceau lumineux? les radiations s s écartent le plus de la direction initiale du faisceau incident de lumière blanche b. les moins déviée par rapport à la direction initiale du faisceau lumineux? les radiations violettes sont celles qui sont les moins déviées 5) Que représente la figure centrale observée sur l écran? La figure centrale correspond à l image de la fente elle est constituées de lumière blanche 6) Comment s est elle formée? Cette tache est formée par la lumière qui n a pas été décomposée elle apparait donc blanche 7) Comparer l étendu des spectres obtenus sur l écran par rapport à celui obtenu à l aide du prisme Le spectre de la lumière blanche obtenu avec un réseau de diffraction est beaucoup plus étendu(étalé) et lumineux que celui obtenu avec un prisme 8) Quel est du prisme ou du réseau le dispositif le plus dispersif? Le spectre obtenu avec le réseau de diffraction étant plus étalé que l on obtient avec un prisme, il décompose davantage la lumière incidente. Un réseau de diffraction est un dispositif plus dispersif que le prisme 9) Conclusion Quel intérêt trouve l astrophysicien dans l utilisation d un système dispersif réseau ou prisme pour l exploration de l univers? L utilisation d un système dispersif permet à l astrophysicien d analyser la lumière émise par un objet de l univers II. Les différents types de spectre Vous disposez sur votre paillasse du matériel suivant : une lampe à incandescence, des lampes spectrales (au bureau), des filtres colorés, un spectroscope de poche( spectroscope à réseau) La possibilité d accéder à l internet pour vos recherches et pour observer spectres d'émission et d'absorption d'un élément chimique (une animation en flash) Dans la littérature scientifique, il est fait mention de - spectres continus - de spectres de bande absorption -,de spectres de raies - de spectres d'absorption - de spectre d'émission. Page 3 / 8

4 a) Observer ces différents types de spectres Pour chacun d'eux décrire l'expérience que vous avez réalisée et représenter le spectre obtenu 1) Spectre continu Montage fente Système dispersif prisme ou réseau écran Spectre continu d émission Lampe à incandescence ou source thermique OU Ce montage permet de décomposer la lumière produite par la source de lumière : c est un spectre d émission Source thermique de lumière : dispositif qui produit de la lumière par échauffement d un corps (métallique le plus souvent) Dans la lampe à incandescence c est le filament de la lampe qui s échauffe par le passage du courant électrique 2) Spectre de raies d émission lampe spectrale (à vapeur de mercure) a) Description Une lampe à décharge est constituée d un gaz sous basse pression emprisonné dans une ampoule de verre aux extrémités de laquelle deux électrodes soumettent ce gaz à des décharges électriques périodiques. Ce type de lampe ne contient pas de filament. b) Production de la lumière : Les atomes du gaz soumis à ces décharges électriques se trouvent dans un état instable dit «excité» (les atomes absorbent de l énergie) Quand ces atomes retrouvent leur état fondamental (état normal) ils libèrent cette énergie sous forme de lumière. Un spectre continu est constitué d une infinité de radiations lumineuses. Sur l écran on observe une zone colorée passant progressivement du violet au sans discontinuité. À savoir : Toutes les sources thermiques produisent une lumière dont le spectre est continu Une lumière blanche : C est une lumière constituée de toutes les radiations lumineuses Constitution d une lampe à décharge Électrode Gaz sous basse pression Électrode Décharges électriques Production de Figure observée pour une lampe à décharge à vapeurs de mercure Spectroscope à prisme Remarque : Le spectre à été observé à l aide d un spectroscope à prisme ; avec ce dispositif le spectre n est pas projeté sur un écran mais observé à l aide d un oculaire Page 4 / 8

5 Montage Spectre de raies d émission Système dispersif prisme ou réseau OU Lampe à spectrale Ce montage permet de décomposer la lumière produite par la lampe à décharge : c est un spectre d émission a) Cas de la lampe à vapeur de mercure Le spectre est formé de raies fines colorées sur un fond sombre Les régions sombres correspondent à des radiations lumineuses absentes de la lumière produite par la lampe spectrale b) Cas d une lampe à vapeur de sodium L observation du spectre d une lampe à vapeur de sodium montre un spectre constitué d une raie jaune (qui en fait est constitué de deux raies jaunes très proches) Un gaz excité sous basse pression produit de la lumière dont le spectre d émission est constitué d un nombre limité de radiations lumineuses de fréquences déterminées. Le spectre de raie d émission est caractéristique de l élément chimique présent dans le gaz de la lampe. Voir ci contre Tout comme les codes barres des articles dans un supermarché À chaque article correspond un seul code barre qui lui est spécifique À savoir : À chaque élément chimique correspond un seul spectre de raies d émission qui lui est spécifique 3) Spectre de bande d absorption Montage Pour réaliser un spectre d absorption il suffit de décomposer la lumière transmise par un objet transparent qui est éclairé par une lumière blanche à l aide d un système dispersif On interpose entre la fente et le système dispersif un objet transparent Source de lumière blanche blanche transmise À savoir : Le spectre d absorption d un liquide ou d un solide est un spectre de bande d absorptions. Les radiations du spectre de la lumière blanche qui n apparaissent pas (régions sombres) sont absorbées par l objet. ou Cas d un liquide : solution de permanganate de potassium (rose violet) Le spectre est n est pas continu. On observe des régions (bandes) sombres plus ou moins larges séparent les régions colorées du spectre de la lumière blanche qui éclaire l objet transparent. Cas d un solide : filtre coloré jaune) Les régions sombres du spectre observé diffèrent selon la nature chimique de l objet Page 5 / 8

6 4) Spectre de raies d absorption Montage blanche transmise Système dispersif prisme ou OU Source de lumière blanche Gaz sous Basse pression On éclaire avec une lumière blanche un gaz sous basse pression dans une ampoule À savoir Les spectres de raies d absorption et d émission d un élément chimique donné sont complémentaires Un élément chimique ne peut émettre que les radiations qu il est capable d absorber Le spectre observé présente des raies sombres sur un fond continu. Les raies sombres correspondent à des radiations absentes du spectre de la lumière blanche qui éclaire le gaz. La lumière transmise est dépourvues de ces radiations Les radiations absentes du spectre (raies sombres) ont été absorbées par le gaz. Les fréquences des radiations absentes sont caractéristiques de l élément chimique présent dans le gaz à savoir À chaque élément chimique il correspond un spectre de raie d absorption qui lui est spécifique 5) Expliquer les différences pour la réalisation d un spectre d émission et un spectre d absorption Pour réaliser un spectre d émission il faut décomposer la lumière produite par une source lumineuse Pour réaliser un spectre d absorption il faut décomposer la lumière transmise par un objet transparent qu on a pris soin d éclairer par une lumière blanche III. Spectres des sources thermiques a) Température et couleur d une source lumineuse À l'aide du matériel dont vous disposez, réaliser un spectre continu. Trouver une expérience permettant de mettre en évidence l'influence de la température du corps émettant la lumière sur le spectre de la lumière émise par ce corps. 1) Donner le mode opératoire de l'expérience. Alimenter une lampe à incandescence à l aide d une tension ajustable. Décomposer la lumière émise par le filament à l aide d un dispositif dispersif Faire varier la tension d alimentation de la lampe permet de modifier la température de du filament Observer le spectre de la lumière émise par le filament pour différente valeur de la tension d alimentation... 2) Consulter la vidéo «Wienn» de l expérience placée dans la médiathèque de spc. Quelle est l influence de la température de la source thermique sur la couleur de la source et l aspect du spectre observé Si on augmente la température du filament la lumière produite - change progressivement de couleur - passe progressivement à l œil nu du, à orangée puis jaune, puis blanche et enfin blanc bleutée. Plus la température du filament augmente, plus le spectre continu d émission - plus le spectre est lumineux - plus le spectre s élargit du côté des radiations bleues - plus la lumière produite s enrichit en radiation de grande fréquence (ou de courte longueur d onde) - plus la lumière produite, apparaît bleutée Page 6 / 8

7 Animation montrant l évolution de l intensité (luminosité) des radiations émises en fonction de la longueur d onde pour des températures de la source thermique (exprimée en kelvin K) T(K) = t( C) +273,15 Les radiations émises par une source thermique n ont pas la même intensité. Si la source à une température de 7000K la radiation la plus lumineuse est violette ( =400 nm) À la température de 5000k la radiation la plus lumineuse est jaune vert (( 550 nm) À la température de 4000k la radiation la plus lumineuse est orangée ( =650 nm) À savoir La longueur d onde max radiation la plus lumineuse de la lumière émise par une source thermique dépend de la température de la source La longueur d onde du pic d émission de la source thermique est donnée par max = C max en m T en K (kelvin) T C constante physique C= 2,898 K.m Le Kelvin est l unité de température du système international La température T en kelvin se déduit de la température enc par la relation T = +273,15 Remarque : Plus la température de la source est élevée plus le pic d émission de la source se rapproche des radiations violettes Connaissant max C T = max à partir du spectre de la source on peut en déduire sa température Page 7 / 8

8 IV. Comment décoder l'information que transporte la lumière? Décrire les spectres d'absorption des filtres, vert, bleu, cyan, magenta, jaune. Spectre d absorption filtre Bleu Spectre d absorption filtre cyan Spectre d absorption filtre vert Spectre d absorption filtre magenta Spectre d absorption filtre Spectre d absorption filtre jaune Êtes vous capable de deviner quels filtres la lumière blanche a traversé en étudiant simplement le spectre de la lumière obtenu? Réaliser l'expérience suivante : une des personnes du binôme impose à la lumière de traverser un ou plusieurs filtres, et l'autre doit deviner les filtres utilisés en observant uniquement le spectre de la lumière. Page 8 / 8

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