Seconde EVALUATION N 4 (1h30)

Transcription

1 Nom, Prénom, Classe :... Seconde EVALUATION N 4 (1h30) Toutes les réponses doivent être rédigées et justifiées!! Exercice 1 : (11,5pts) La sonde Voyager en 2012 La sonde Voyager 1 a décollé en 1977 pour observer le Système solaire. Toujours en état de fonctionnement, un ingénieur de la NASA affirme à propos de cette sonde: «La sonde est arrivée aux limites du Système Solaire, appelée l héliopause. Les informations qu elle nous transmet mettent aujourd hui 16 h 40 min (16,67 h) à nous parvenir. Elle se situe aujourd hui, en mai 2012, à environ 120 U.A (Unités Astronomiques)». Donnée : 1 U.A = 150 millions de kilomètres = 1,50 x m 1 année = 365,25 j = s 1- Les informations voyagent à la vitesse de la lumière. Donne la valeur de cette vitesse dans le vide avec 3 chiffres significatifs. 2- Calculer la distance entre la sonde Voyager et la Terre en mètre. Donne ce résultat en notation scientifique avec le bon nombre de chiffres significatifs. 3- Donner un ordre de grandeur de cette distance calculée. 4- Justifier la phrase de l ingénieur : «les informations mettent 16,67 h à nous parvenir». 5- Admettons que l on demande à la sonde de faire une mesure de champ magnétique le 16 mai à 19 h 40. A quelle heure sur Terre les ingénieurs doivent-ils lui envoyer le message pour qu elle fasse cette mesure à cet instant? Justifie ta réponse. 6- Vous rédigerez un commentaire argumenté de la réflexion de ce patient. Votre travail devra notamment faire référence à l expression «voir loin, c est voir dans le passé». Vous ferez attention à l organisation et à la clarté de vos propos et n hésitez pas à expliquer l aspect humoristique de cette illustration. La sonde est prévue pour fonctionner jusqu en 2025 (encore 13,0 ans). Elle se déplace actuellement à la vitesse vertigineuse de v = m.s Quelle distance va-t-elle parcourir en 13 ans à cette vitesse. (Résultat en m et en notation scientifique). 8- Montre que la distance totale Terre - Sonde Voyager 1 en 2025 sera d environ d T-S = 2,50 x m? On souhaite représenter à l échelle la distance entre la Terre et la sonde en Dans cette représentation, la Terre aura un diamètre d = 3,00 cm. En réalité son diamètre est de km. La distance Terre sonde Voyager 1 est de d T-S = 2,50 x m aujourd hui. On recherche la distance Terre sonde notée X dans l échelle de représentation. 9- Calcule la distance X et donne le résultat dans une unité adaptée. Commenter.

2 Exercice 2 : (10,5 pts) Les messages de la lumière En 1814, à l aide d un spectroscope de son invention, le physicien allemand Joseph Fraunhofer observe des raies sombres dans le spectre continu du Soleil. Il fait alors une mesure précise de la position de plusieurs centaines de ces raies sombres en notant les plus intenses par des lettres. Document 1 : l intensité lumineuse de chaque radiation émise par le Soleil en fonction de sa longueur d onde Document 2 : Quelques une des raies observées par J.Fraunhofer dans le spectre continu du soleil Les longueurs d ondes de quelques raies sont données dans le tableau ci-dessous : Raie C D E b F G H K (nm) Document 3 : Longueur d onde des raies démission de quelques éléments chimiques Entité Longueur d onde des raies d émission H Mg Ca Na 589 Fe Document 4 : Comprendre le spectre solaire Le Soleil est une boule dont le rayon fait environ 110 fois celui de la Terre! Au cœur, la température est de l ordre de 15 millions de degrés. Chaque seconde, la fusion des protons donne un noyau d hélium et produit ainsi une énergie de l ordre de Joules, soit une énergie équivalente à fois celle de la bombe d Hiroshima! L énergie produite doit traverser plusieurs couches jusqu à la photosphère où la température n est plus que d environ C. Mais c est cette fine couche gazeuse qui émet la lumière du soleil. A l extérieur de la photosphère, l atmosphère de l étoile (ou chromosphère) contient un grand nombre d éléments sous formes d ions ou d atomes isolés.

3 1- Quel type de spectre donne la lumière émise par un gaz chaud? 2- Pourquoi le spectre de la lumière blanche ayant traversé un gaz à basse température est-il qualifié de spectre de raies d absorption? 3- En utilisant les données du document 3, représenter les spectres d absorption et d émission de l hydrogène, dans les cadres fournis en annexe. 4- Dessiner le soleil en légendant celui-ci avec les mots suivants : chromosphère, cœur et photosphère. Indiquer également sur le schéma les températures connues de ces zones. 5- En vous aidant des documents et de vos connaissances, expliquer l origine des raies sombres présentes dans le spectre du Soleil. 6- Identifier les éléments chimiques susceptibles d être présents dans l atmosphère solaire. 7- L intensité lumineuse du Soleil est-elle la même pour toutes les radiations (justifier en citant le document employé)? Pour quelle longueur d onde λ max cette intensité est-elle maximale? Sachant que la température (T) de la surface d une étoile est telle que : λ max = et T en C, en déduire la température à la surface du Soleil., avec λ max en mètre Exercice 3 : (8pts) Dispersion de la lumière Un faisceau lumineux polychromatique est un mélange de deux radiations monochromatiques de longueurs d onde λ 1 = 570 nm (lumière verte) et λ 2 = 680 nm (lumière rouge). On le dirige perpendiculairement à la face d entrée d un prisme de matière plastique. L indice n 1 du plastique pour la lumière rouge : n 1(rouge) = 1,30. L indice de l air n = 1,00. S 1- Pourquoi le faisceau n est-il pas dévié au point A quelle que soit sa longueur d onde? 2- Représenter, sur la figure de l ANNEXE, l angle d incidence au point B : i 1(vert) = i 1(rouge) = 45,0. 3- L angle de réfraction du faisceau vert vaut 73,0. Déterminer la valeur de n 1(vert), indice de réfraction du plastique pour le faisceau vert. 4- Calculer la valeur de l angle de réfraction pour le faisceau rouge: i 2 (rouge). 5- Représenter les faisceaux vert et rouge réfractés au point B sur la figure de l ANNEXE. 6- En vous aidant de vos connaissances, de schémas et du document ci-dessous, expliquer quelle propriété du verre permet de comprendre que la lumière est dispersée par le prisme. (vous rédigerez quelques lignes en argumentant votre explication). Citer un exemple de la vie courante faisant intervenir ce phénomène. A B Bon travail!

4 ANNEXE à rendre avec la copie Exercice 2 : Spectre d absorption : Spectre d émission : Exercice 3 : S A B

5 CORRECTION Exercice 1 : (11,5pts) La sonde Voyager en C = 3, m.s -1 (0.5) 2- d VT = 120 * 1U.A AN : d VT = 120 * 1,50 x = 1, m (1) 3- OG(d VT ) = m (0.5) 4- t = d VT / c = 1, / 3, = 6, s = 16,67h Les informations mettent bien 16,67 h à nous parvenir. (1,5) 5- Le message de propageant à la vitesse de la lumière, il mettra 16,67h = 16h40min à arriver à Voyager 1. Il faudra donc l envoyer à 19h40 16h40 = 3h du matin. (1) 6- Vous La lumière n a pas une vitesse infinie, elle se propage à 300 km/s, cette très grande valeur fait que sur de petites distances la lumière se propage très rapidement. Elle ne se propage pourtant pas instantanément, ce que l on peut observer sur de grandes distances. Par exemple, la lumière met environ 8 min pour parvenir du Soleil. Nous le voyons donc tel qu il était 8 min auparavant, au moment de l émission de lumière. Plus l objet observé est éloigné, plus la durée du trajet parcouru par la lumière est longue et plus nous observons dans le passé. La durée qui sépare l arrivée des signaux lumineux provenant des pieds et des mains de ce patient n est pas perceptible à l oeil humain. On voit donc nos pieds et nos mains simultanément lorsqu on les observe. Pourtant lorsque les signaux arrivent simultanément, le signal venant des pieds provient de plus loin. D après l expression, «voir loin, c est voir dans le passé», ce signal est plus ancien donc l image des pieds est plus ancienne que celle des mains. C est ce que veut dire ce patient. (2) 7- d= v * t AN d = * 13,0 * = 7, m (1.5) 8- d T-S = d + d VT d T-S =7, , = 2,50 x m (1.5) 9- X = 2, * 3,00 / = 5, cm = 5, km impossible à représenter! (2) Exercice 2 : (10,5 pts) Les messages de la lumière 1- La lumière émise par un gaz chaud donne un spectre de raies d émission. (0.5) 2- Le spectre de la lumière blanche ayant traversé un gaz à basse température est qualifié de spectre de raies d absorption car il est constitué d un fond coloré et de quelques raies noirs dues à l absorption de certaines radiations par des éléments. (1) 3- Spectres d absorption de l hydrogène : fond coloré, raies noires à 657, 556, 486, 434 et 410nm. (1) Spectre d émission de l hydrogène : fond noir, raies colorées à 657, 556, 486, 434 et 410nm. (1) 4- Le document 1 nous permet de compléter le schéma suivant : (1.5) Chromosphère Photosphère (6000 C) Cœur

6 5- D après le document 1, les éléments situés dans la chromosphère vont absorber la lumière produite par la photosphère (spectre thermique). (2) 6- Les raies K et H ont la même longueur d onde que les raies d émission de l élément Ca +. De même pour la raie D qui correspond à la raie d émission du sodium. Il semble donc y avoir des éléments Na et Ca + dans la chromosphère du soleil. (1) 7- L intensité lumineuse du Soleil n est pas la même pour toutes les radiations puisque le profil de la courbe représentant l intensité lumineuse en fonction de la longueur d onde (document 1) n est pas une droite horizontale. (1) λ max 510nm (0.5) T = ( ) AN : T = 5, C (1) Exercice 3 : (8pts) Dispersion de la lumière 1- le faisceau incident arrive perpendiculairement à la surface de séparation des milieux donc i 1 = 0 = i 2. Le faisceau n est pas dévié au point A quelle que soit sa longueur d onde. (1) 2- S A B (0,5) i 1 vert rouge 3- Pour le rayon vert, d après la seconde loi de Descartes : n 1V sin i 1V = n 2V sin i 2V n 1V = n 2V sin i 2V 1,00 sin 73,0 n sin i 1 = = 1,35 (1,5) 1V sin45,0 4- Pour le rayon rouge: n 1R sin i 1R = n 2R sin i 2R sin i 2R = n 1R sin i 1R 1,30 sin 45,0 sin i n 2R = = 0,919 i 2R 1,00 2R = 66,8 (1,5) 5- Faisceaux vert et rouge réfractés au point B voir schéma (1) 6- D après la courbe fournie, on note que l indice de réfraction dans le verre dépend de la longueur d onde de la radiation lumineuse considérée. Cet indice étant modifié, d après la loi de Descartes, les angles de réfraction au niveau des dioptres air/verre ou verre/air seront différents pour chaque radiation. Ainsi, la lumière blanche est décomposée. Le prisme est appelé système dispersif. Le phénomène de dispersion de la lumière est observable lors d un arc en ciel. (2,5)