OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées

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1 Activité documentaire : Les lampes au quotidien OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées CORRECTION Diverses lampes sont utilisées dans la vie courante : lampe à incandescence, lampe fluorescente, lampe halogène, lampe à vapeur de sodium Qu est-ce qui différencient ces lampes? Document 1 LAMPES DESCRIPTION DIAGRAMME DE REPARTITION EN LONGUEUR D ONDE Une lampe à vapeur de mercure produit une lumière d une couleur blanc - bleutée grâce à une décharge électrique à travers la vapeur de mercure à haute pression (500 fois la pression des tubes fluorescents) 2 contenu dans l'ampoule. Autrefois utilisées en abondance pour l'éclairage public, elles sont de plus en plus remplacées par les lampes au sodium, qui ont un meilleur rendement lumineux. Ces lampes consomment beaucoup d'énergie. (raies intenses à 435, 546 et 578 nm) Dans une lampe fluorescente, des atomes de mercure sont excités par un courant électrique. L essentiel des photons produits par désexcitation des atomes de mercure appartiennent au domaine ultraviolet. C est une poudre fluorescente, déposée à l intérieur du tube, qui transforme ces photons du domaine ultraviolet en photons du domaine visible. Un dosage astucieux des substances contenues dans la poudre donne une sensation de lumière blanche. 4 Une lampe à vapeur de sodium est une lampe à décharge éclairant en orange. Une décharge électrique à travers la vapeur de sodium provoque des transitions des atomes de sodium vers des états excités. En se désexcitant, ces atomes de sodium émettent de la lumière. 1 Le laser rubis néon n émet qu une radiation rouge. 3 Remarque : Dans une lampe incandescente, un filament de tungstène porté à haute température (environ C) par le passage d un courant électrique produit de la lumière de spectre continu. Généralement l'ampoule est remplie d'un gaz inerte comme l'argon ou le krypton, qui permet d'éviter la détérioration du filament. Ces lampes ont un rendement lumineux faible, car la plus grande partie de l'énergie électrique est convertie en chaleur plutôt qu'en lumière. Il existe essentiellement 2 types de lampes : les lampes à incandescence (classique et halogène), dans lesquelles un filament brûle, et les lampes à décharge ("néons", mercure, sodium, halogénures métalliques) qui produisent de la lumière grâce à une décharge électrique dans un gaz. 5 Activité : Les lampes au quotidien Page 1 / 6

2 Question 1 OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées Le document 1 explique le fonctionnement de certaines lampes et donne les diagrammes de répartition en longueurs d onde de ces lampes : ils renseignent sur les radiations lumineuses émises par ces lampes et sur les intensités avec lesquelles elles sont émises. Malheureusement, ces données ont été mélangées. La lampe et le diagramme donnés dans une ligne ne correspondent pas. Choisir la bonne proposition. Dans ces diagrammes, Question 2 la grandeur représentée sur l axe des abscisses est la longueur d onde de la radiation lumineuse et la grandeur représentée sur l axe des ordonnées est l intensité. la grandeur représentée sur l axe des abscisses est l intensité et la grandeur représentée sur l axe des ordonnées est la fréquence de la radiation lumineuse. la grandeur représentée sur l axe des abscisses est l intensité et la grandeur représentée sur l axe des ordonnées est la longueur d onde de la radiation lumineuse. la grandeur représentée sur l axe des abscisses est la fréquence de la radiation lumineuse et la grandeur représentée sur l axe des ordonnées est l intensité. Associer à chaque lampe décrite dans le document 1 son diagramme de répartition en longueurs d onde : Lampe à vapeur de mercure Diagramme 1 Lampe fluorescente Diagramme 2 Lampe à vapeur de sodium Diagramme 3 Lampe incandescente Diagramme 4 Laser rubis néon Diagramme 5 Lampes à vapeur de sodium (lumière jaune) et à vapeur de mercure (lumière blanche) Question 3 A partir des diagrammes de répartition en longueurs d onde du document 1, proposer une définition des expressions «source lumineuse monochromatique» et «source lumineuse polychromatique». Source lumineuse monochromatique : source qui émet une lumière qui ne peut pas être décomposée par un système dispersif donc qui émet une seule radiation lumineuse. Source lumineuse polychromatique : source qui émet une lumière qui peut être décomposée par un système dispersif donc qui émet plusieurs radiations lumineuses. Activité : Les lampes au quotidien Page 2 / 6

3 Question 4 Classer ces différentes lampes dans le tableau ci-dessous : OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées Source polychromatique Lampe à vapeur de mercure Lampe fluorescente Lampe incandescente Source monochromatique Laser rubis néon Lampe à vapeur de sodium basse pression Hormis le laser, les lampes citées dans le document 1 peuvent être classées en deux catégories : lampe à incandescence et lampe à décharge. Question 5 A partir du document 1, expliquer le principe de fonctionnement d une lampe à incandescence et le principe de fonctionnement d une lampe à décharge. Principe de fonctionnement d une lampe à incandescence : un filament porté à haute température émet de la lumière. Principe de fonctionnement d une lampe à décharge : sous l effet d une décharge électrique, des entités Lampe basse consommation = lampe fluocompacte = lampe à décharge qui consomme 4 fois moins d électricité pour la même intensité lumineuse. chimiques sont excités. En se désexcitant c est-à-dire en perdant de l énergie, ces entités chimiques émettent de la lumière. Julie et son frère Arthur ne sont pas d accord à propos d une autre source de lumière : les étoiles. Julie affirme : les étoiles sont à rapprocher des lampes à incandescence : ce sont des corps chauds qui émettent donc une lumière de spectre continu. Pas du tout, lui rétorque Arthur, d ailleurs certaines étoiles sont dites froides. Tu sais aussi que dans le Soleil il n y a pas de tungstène! Question 6 D après vos connaissances de seconde et du document 1, indiquez avec quelle affirmation vous êtes d accord. Justifiez votre réponse. En seconde : Une étoile peut être assimilée à une boule de gaz très chaud et sous haute pression. La lumière émise par sa surface, la photosphère, donne le fond continu d origine thermique du spectre de l étoile. La couleur de l étoile, comme celle du filament d une lampe, renseigne sur sa température de surface. Les étoiles sont des sources primaires, ce sont des corps chauds donc l affirmation de Julie est la bonne. Exemple : Dans la constellation d Orion, Rigel, étoile chaude (température de surface de l ordre de C) apparaît blanche presque bleutée, alors que Bételgeuse, plus froide (3 000 C) a un aspect rougeâtre. En seconde, on a vu qu un corps chaud émet de la lumière donc l affirmation de Julie est juste. Question 7 L utilisation des lampes à incandescence tend à disparaître car : a. le tungstène est rare. (le W est un métal rare après l or mais ce n est pas la raison de sa disparition dans les ampoules) b. les pertes énergétiques sont trop grandes : elles produisent trop de chaleur (IR) par rapport à la lumière visible. c. le filament peut prendre feu. d. elles émettent trop de lumière de différentes couleurs. Activité : Les lampes au quotidien Page 3 / 6

4 OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées Question 8 1- Une lampe halogène comme ci-contre est une lampe à filament dans laquelle on a introduit un gaz permettant de limiter l usure du filament et de diminuer les pertes énergétiques en travaillant à haute température. Concernant le diagramme de répartition en longueur d onde d une lampe halogène par rapport à celui d une lampe à incandescence, choisir les propositions possibles parmi les suivantes : ce diagramme est discontinu. le rapport de l intensité totale émise en lumière visible sur l intensité totale émise en lumière invisible (IR et UV) est plus important. le rapport de l intensité totale émise en lumière visible sur l intensité totale émise en lumière invisible (IR et UV) est moins important. il n y a plus de radiations IR. Comment fonctionne une lampe halogène? (Pour info) Elles éclairent mieux, et durent plus longtemps que les ampoules classiques. Alors qu'une ampoule classique ne dure guère plus de 800 heures, une ampoule halogène peut durer plus de 2000 heures. Depuis les ampoules de Thomas Edison à l'exposition universelle de 1881, dont les filaments de carbone émettaient difficilement une faible lumière orange, de nombreux progrès ont été faits. Le filament, d'abord : dans la plupart des lampes, il est en tungstène, un métal qui résiste à de très hautes températures (plus de 3410 C). Du coup, on peut chauffer le filament à plus de 2900 C et obtenir une forte lumière. Le problème, c'est que l'incandescence conduit à l'évaporation du métal, donc à la rupture prématurée du filament. De plus, le métal évaporé se dépose sur le verre de l'ampoule, atténuant ainsi sa transparence. Dans les années 30, on remplit donc les ampoules avec un gaz inerte (argon ou krypton), limitant cette évaporation. C'est encore la technique des ampoules classiques. En 1958, on trouve enfin une solution pour réduire l'usure du filament : les gaz halogènes (de halos, qui signifie sels), comme l'iode ou le bromure de méthyle. Ces gaz ont la faculté de capturer et de libérer les atomes de tungstène qui se détachent du filament Lorsqu'il est porté à incandescence, le filament perd ses atomes de tungstène. Arrivés à la paroi de l'ampoule, plus froide, ces derniers sont capturés par les atomes de d'halogène, qui circulent dans l'ampoule. Quand cet assemblage arrive à nouveau à proximité du filament, il se casse et libère les atomes de tungstène qui se redéposent sur le filament. Ce processus n'est pourtant pas éternel : les atomes se redéposent de manière aléatoire, et le filament est donc aminci à certains endroits et épaissi à d'autres. Les zones amincies finissent donc par céder un jour ou l'autre. Attention : fragile Pour augmenter encore la luminosité, il faut réduire le diamètre du filament. Mais au-delà de quelques dixièmes de millimètres, il se rompt. On utilise donc des filaments torsadés. Reste le problème de la paroi de l'ampoule : le verre ne résiste pas à des telles températures. L'ampoule est donc en quartz, un matériau plus résistant à la chaleur mais aussi plus fragile. C'est pourquoi il ne faut pas toucher l'ampoule avec les doigts : la fine pellicule de graisse déposée à la surface va "griller" quand on allume la lampe. Résultat : une couche opaque qui nuit à la luminosité, et une surchauffe locale qui risque de faire éclater l'ampoule. Rayonnement nocif Comme la température des lampes halogènes est plus élevée que celle des lampes classiques, le spectre d'émission est décalé vers le bleu. Du coup la lumière émise est plus "blanche" que les lampes à incandescence. Elle donne Activité : Les lampes au quotidien Page 4 / 6

5 OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées donc un meilleur rendu des couleurs, mais émet aussi des rayons ultraviolets, nocifs pour la peau. C'est pourquoi la plupart des lampes halogènes ont un cache en verre qui filtre les rayons UV (ce cache en verre ou en plastique sert d'ailleurs aussi à éviter la manipulation de l'ampoule). Une lampe gourmande en électricité L'inconvénient des lampes halogènes, c'est qu'elles sont grosses consommatrices d'énergie. Alors que les ampoules classiques font entre 25 et 100 Watts, les ampoules halogènes atteignent souvent les 500 Watts. Certes, l'éclairage est plus fort, mais le consommateur utilise indifféremment les deux pour un même usage. Pour les économies d'énergie, mieux vaut donc adopter les ampoules fluo-compactes, dérivées de la technologie du néon, qui feront chuter votre facture de 80% et durent plus de heures. Question 9 Une lampe à incandescence a un excellent rendu des couleurs tandis qu une lampe à vapeur de sodium a un mauvais rendu des couleurs. Justifiez à l aide de leur diagramme de répartition en longueur d ondes. D après son diagramme, une lampe à incandescence émet toutes les radiations lumineuses visibles donc l objet éclairé par cette lampe diffusera les mêmes radiations qu il diffuse éclairé par la lumière du soleil donc l objet apparaîtra d une couleur très proche de celle qu il apparaît éclairé par le Soleil. Par contre le diagramme d une lampe à vapeur de sodium montre qu elle n émet qu une radiation monochromatique donc un objet éclairé par cette lampe diffusera moins de radiations que lorsqu il est éclairé par le Soleil donc n apparaîtra pas de la même couleur. Question 10 Les lampes à vapeur de sodium sont pourtant utilisées pour éclairer les tunnels ou les routes, autoroutes. Proposez une ou des hypothèses qui permet(tent) de justifier ce choix. Les lampes à vapeur de sodium : sont moins consommatrice d électricité, ont une durée de vie plus longue que les lampes à incandescence, ont une efficacité lumineuse plus élevée. On appelle efficacité lumineuse le rapport flux de lumière émise par la lampe sur sa consommation électrique, ont un coût moins élevé à l achat. Activité : Les lampes au quotidien Page 5 / 6

6 OBSERVER Sources de lumières colorées Chap. 3 Sources de lumières colorées Question 11 A la question «Quelle lampe choisiriez-vous pour éclairer votre bureau entre une lampe à incandescence et une lampe fluorescente?», voici quelques réponses proposées par des élèves d une classe de 1 ère S : Je choisirais une lampe fluorescente car elle consomme moins qu une lampe à incandescence. Elle permet donc de faire des économies d énergie d électricité pour le bien de la planète. Je choisirais une lampe à incandescence car une lampe fluorescente contient du mercure qui est très polluant. Je choisirais une lampe à incandescence car les lampes fluorescentes sont contraignantes : une fois qu elles ne fonctionnent plus, il faut les rapporter au magasin d origine ou en déchetterie pour les recycler. Je choisirais une lampe fluorescente. Ainsi ma facture d électricité sera moins élevée qu avec une lampe à incandescence. Je choisirais une lampe à incandescence car une lampe fluorescente met un certain temps à l allumage à éclairer pleinement contrairement à une lampe à incandescence. Ces réponses d élèves avancent des arguments qui sont d ordre scientifique, d autres pas ; recopier ci-dessous des arguments tirés des réponses qui sont : a- d ordre scientifique : consommation d énergie électrique moindre avec les lampes fluorescentes pollution de la lampe fluorescente car elle contient du mercure b- d ordre non scientifique : nécessité de rapporter les lampes fluorescentes au magasin d origine ou en déchetterie alors qu on peut jeter à la poubelle les lampes à incandescence. facture d électricité moindre avec les lampes fluorescentes. durée à l allumage différente. Activité : Les lampes au quotidien Page 6 / 6