Sources de lumière colorée

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1 Sources de lumière colorée PARtiE 1 Manuel unique, p. 44 ( Manuel de physique, p. 42) séquence Le programme notions et contenus Différentes sources de lumière : étoiles, lampes variées, laser, DEL Domaines des ondes électromagnétiques. Couleur des corps chauffés. Loi de Wien. observer Sources de lumière colorée Compétences attendues Distinguer une source polychromatique d une source monochromatique caractérisée par une longueur d onde dans le vide. Connaître les limites en longueur d onde dans le vide du domaine visible et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets. Exploiter la loi de Wien, son expression étant donnée. Pratiquer une démarche expérimentale permettant d illustrer et de comprendre la notion de lumière colorée. Les compétences à acquérir dans la séquence 1. Connaître différentes sources de lumière. 2. Comprendre la notion de lumière colorée.. Exploiter la loi de Wien. Évaluation diagnostique p. 44 Situation 1 Le Soleil est une source (primaire) de lumière : il produit la lumière qu il émet. La Lune est un objet diffusant : elle renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu elle reçoit du Soleil. L activité 1 permet de lister différentes sources de lumière et de distinguer trois types de sources. Situation 2 Dans l entrepôt, les fruits sont éclairés par un tube fluorescent, ce qui explique des couleurs plus bleutées sur le cliché a. L activité 2 permet de comparer la composition en lumières colorées de différentes sources. Situation Contrairement à la terminologie utilisée en peinture, les étoiles rouges sont plus froides que les étoiles bleues. L activité montre comment la loi de Wien permet de déterminer la température d un corps chaud à partir de la longueur d onde d émission maximale. 25

2 Activités Activité 1 Les lampes électriques p a Lampe à filament ; b DEL ; c lampe halogène ; d tube néon ; e lampes fluorescentes. 2. Non, certaines émettent de la lumière colorée, comme les DEL et le tube néon.. Les lampes à filament sont trop consommatrices d énergie électrique, leur rendement est faible car il y a trop d énergie dissipée sous forme thermique. 4. a. Les gaz inertes (ou gaz nobles) appartiennent à la dernière colonne du tableau périodique (cf. programme de 2 de ). Exemples : l hélium He, le néon Ne, l argon Ar, le krypton Kr, le xénon Xe et le radon Rn. b. Les halogènes sont les éléments chimiques situés dans l avant-dernière colonne de la classification périodique (cf. programme de 2 de ). Exemples : le fluor F, le chlore Cl, le brome Br, l iode I et l astate At. 5. Une lampe à décharge contenant seulement du mercure gazeux à basse pression ne peut pas servir à l éclairage car elle émet essentiellement des rayonnements ultraviolets, qui n appartiennent pas au visible. 6. Sources incandescentes : lampe à filament et lampe halogène. Sources luminescentes : lampes fluorescentes, tube néon et DEL. Activité 2 Les couleurs d une lumière p La longueur d onde est représentée en abscisse. 2. a. La lumière émise par un tube fluorescent est polychromatique car elle est constituée de plusieurs radiations de longueurs d onde différentes. b. Le spectre de la lampe fluorescente «lumière du jour» contient pratiquement toutes les radiations du visible, son spectre est continu. Celui de la lampe fluorescente «basic» présente des trous (certaines radiations du visible ne sont pas émises) ; son spectre est discontinu.. a. Les spectres de la lumière émise par un tube fluorescent contiennent les radiations visibles du spectre de la lumière du jour, mais l intensité lumineuse de chaque radiation est différente. Les profils spectraux des lampes fluorescentes présentent des pics pour certaines longueurs d onde, alors que l intensité lumineuse des différentes radiations de la lumière du jour varie progressivement, avec un maximum dans le bleu-vert. Le profil de la lampe fluorescente «lumière du jour» présente trois pics importants (dans le bleu, dans le vert et dans le jaune-orange). Celui de la lampe fluorescente «basic» présente deux pics importants (l un dans le vert et l autre dans le jaune-orange), mais certaines longueurs d onde ont une intensité lumineuse faible ou quasi nulle. Remarque : la lumière du jour est la lumière solaire après sa traversée de l atmosphère terrestre, elle varie donc en fonction de la saison, de l heure de la journée, du lieu, des conditions climatiques b. Pour qu une lumière génère des sensations colorées proches de celles de la lumière du jour, il n est pas nécessaire que son profil spectral soit identique à celui de la lumière du jour, mais il faut que les différentes radiations colorées soient globalement «équilibrées», ce qui est le cas pour la seconde lampe fluorescente. En revanche, la lumière émise par la première lampe fluorescente présente une intensité lumineuse trop faible pour certaines radiations (comme les radiations bleu-cyan ou rouges) et au contraire trop forte pour d autres (comme les radiations orange). 4. a. Le profil spectral de la lumière est la courbe donnant l intensité lumineuse des radiations de la lumière en fonction des longueurs d onde de ces radiations. C est en quelque sorte une carte d identité de celle-ci. b. Les profils spectraux mettent en évidence la composition spectrale de la lumière, c est-à-dire la qualité de la lumière. 5. L œil ne contient que types de cônes pour recevoir l information couleur d une lumière. Les sensations colorées ressenties par l œil en présence d un faisceau lumineux résultent de l addition des composantes monochromatiques de ce faisceau. 26

3 Activité Corps noir et lumière blanche p. 48 Si le laboratoire ne dispose pas de spectroscope à fibre optique ou d un dispositif pour enregistrer l intensité lumineuse, observer les lumières avec un simple spectroscope et donner (ou projeter) aux élèves les profils spectraux (de nombreuses ressources numériques sont disponibles). La correction correspond à l utilisation d une lampe à filament classique (pas une lampe halogène). 1. a. Lorsque la température augmente, la couleur de la lumière émise est rouge, puis orange, jaune et enfin blanc-jaune. b. Même lorsque la température du filament est la plus élevée, la lumière n est pas aussi «blanche» que la lumière solaire, elle présente une dominante jaune. 2. a. La lumière du Soleil est blanche et son spectre continu contient toutes les radiations visibles, du violet (80 nm) au rouge (780 nm). La courbe d intensité lumineuse présente un pic autour de 500 nm l (nm) b. Oui, car le spectre de la lumière solaire est continu, c est un spectre d origine thermique.. a. ª 490 nm. b. T = 2, , d où T ª K ª C. Compte tenu de la détermination approximative de la valeur de , la température du Soleil ne peut pas être donnée avec plus de 2 chiffres significatifs. 4. a. Lorsque la température est faible (lumière rouge), le spectre continu ne contient que des radiations rouges (l > 600 nm), de faible intensité lumineuse. Lorsque la température est élevée (lumière blancjaune), le spectre continu contient des radiations allant du violet-bleu au rouge, avec une intensité lumineuse qui croît avec la longueur d onde. b. Contrairement à celui de la lumière solaire, le profil spectral de la lumière émise par un filament chauffé ne contient pas toutes les radiations visibles et ne présente pas de pic. 5. a. Non, car les profils obtenus ne présentent pas de pic d émission lumineuse. b. T = 2, , d où lmax 1, m ª 1mm ª nm > 800 nm : le pic lumineux se situe dans l infrarouge. 6. Non, car il faudrait porter le filament à une température d environ C. exercices CoMPÉtEnCE 1 : Connaître différentes sources de lumière 1 a. Vrai. b. Faux. Un écran de cinéma est un objet diffusant, il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu il reçoit du projecteur. PARTIE 1 Séquence Sources de lumière colorée 27

4 c. Faux. Les vapeurs de mercure excitées émettent un rayonnement dans le domaine de l UV. Ce sont les substances fluorescentes présentes sur la paroi interne du tube qui, soumises à ces UV, émettent la lumière. d. Faux. Une DEL est une source à luminescence Incandescence et luminescence. 2. Non, la luminescence n est pas un phénomène thermique.. Le tungstène est le métal qui a la température de fusion la plus élevé. Sources à incandescence : la flamme d un briquet, une lampe halogène, le Soleil, du métal en fusion, les braises. Sources à luminescence : un laser, une DEL, un écran d ordinateur, un tube fluorescent, les lucioles, les éclairs Le filament de tungstène, porté à haute température (environ C) par le passage d un courant électrique, émet de la lumière visible (par incandescence). 2. Le gaz inerte permet d éviter la détérioration du filament. 5 Sous l effet de décharges électriques, le mercure contenu dans le tube émet un rayonnement ultraviolet qui excite le revêtement fluorescent, provoquant ainsi l émission de lumière visible La phosphorescence. 2. Des substances fluorescentes sont déposées sur la paroi interne du tube des lampes fluocompactes, sur les panneaux routiers ; dans les colorants pour tissus (jaune fluo des gilets de sécurité), pour papier (post-it ), pour encre (surligneur). Des substances phosphorescentes sont utilisées dans la confection des bandes placées sur les gilets de sécurité (mais aussi sur certains cartables, blousons, chaussures et autres) ; les étoiles que l on colle au plafond 7 Avantages : longue durée de vie, économique en énergie, moins fragile et chauffe très peu. Inconvénients : le rendu des couleurs n est pas toujours très bon, cher à très cher. Remarque : Les lampes à diodes sont récentes (apparues à la fin des années 1990) et encore en développement. Leurs performances évoluent très rapidement. 8 Produire de la lumière blanche avec des DEL Il y a deux manières de produire une lumière blanche avec les LEDS (diodes électroluminescentes ou DEL en français). La première, introduite au Japon en 1996, utilise une LED bleue recouverte d une couche de phosphore. La deuxième méthode utilise la synthèse additive : on superpose la lumière émise par trois LEDs rouge, verte et bleue. 1. Quelles sont les deux approches possibles pour produire de la lumière blanche avec des DEL? 2. Quels sont les avantages de produire de la lumière blanche avec des DEL? Vous pouvez utiliser les données de l exercice Première méthode : utiliser une DEL bleue recouverte de phosphore. Deuxième méthode : utiliser la synthèse additive par convergence de la lumière émise par des DEL rouge, verte et bleue. 2. Pour l éclairage, on a besoin de lumière blanche. Les DEL blanches ont l avantage d être économes en énergie, de ne pas chauffer et d avoir une durée de vie importante. COMPÉTENCE 2 : Comprendre la notion de lumière colorée 9 a. Une lumière monochromatique est une lumière qui ne peut pas être décomposée par un système dispersif. b. Sa longueur d onde dans le vide. c. Une lumière monochromatique de 670 nm est rouge. 28

5 d. L œil humain n est pas capable de discerner les différentes composantes d un rayonnement et ne perçoit que la résultante, fonction des différentes longueurs d onde qui le composent et de leur intensité lumineuse respective. e. L œil humain est capable de voir des rayonnements dont la longueur d onde est comprise entre 80 et 780 nanomètres. f. La longueur d onde des rayonnements ultraviolets est inférieure à 80 nm, tandis que celle des rayons infrarouges est supérieure à 780 nm. 10 La lumière blanche est la superposition de lumières colorées. 11 La seule source monochromatique est la lampe sodium basse pression La lumière émise par la lampe est polychromatique car elle est composée de 5 lumières colorées monochromatiques. 2. a. Le filtre ne laisse passer qu une seule radiation (celle de longueur d onde égale à 486 nm), le spectre de la lumière transmise ne contient qu une seule raie. b. La lumière transmise est une lumière monochromatique de 486 nm : c est une lumière cyan. CoMPÉtEnCE : Exploiter la loi de Wien 14 a. Faux. La longueur d onde à laquelle un maximum d intensité lumineuse est émis par un corps noir est inversement proportionnelle à sa température. b. et c. Vrai. d. Faux. Le spectre d émission d un corps noir est d origine thermique et il ne dépend que de la température de ce corps (l état de surface du corps n intervient pas). e. Vrai. 15 La température de Bételgeuse Utiliser la loi de Wien pour estimer la température de l étoile super-géante rouge Bételgeuse. Bételgeuse apparaît rouge, mais son profil spectral présente en fait un pic dans l infrarouge à une longueur d onde de 855 nanomètres. T = Cte, avec Cte = 2, m K. 2, D où T, 9 10 K, C T = 2, m K d où T = 2, /1, = 2,6 K I ( 10 1 W m 2 ) l (nm) 2. = 460 nm.. Température de surface du Soleil : T 2, avec = m soit T = 6, 10 K. PARTIE 1 Séquence Sources de lumière colorée 29

6 19 1. Pour les deux lampes, > 780 nm : le maximum d émission se fait dans l infrarouge. 2. ( b ) < ( a ), donc, d après la loi de Wien, T( b ) > T( a ).. La présence de composés halogénés permet d augmenter la température du filament. Exercices de synthèse 20 Température en C Température en K Maximum d émission Domaine d émission UV/visible/IR Arcturus nm visible Rigel nm UV Filament de lampe ,04 mm IR Lave en fusion ,00 mm IR Fer à repasser ,06 mm visible Corps humain ,5 mm IR Surface de la Lune de 150 C à C de 42 K à 12 K de 6,85 à 2,6 mm IR Limites des longueurs d onde dans le vide du spectre visible : 80 nm (violet) < l < 780 nm (rouge). 2. a. et b. L œil est le plus sensible pour l ª 550 nm, c est-à-dire pour le vert.. D après la courbe, la sensibilité aux rayonnements lumineux de couleur violette est très faible car, pour l ª 400 nm (violet), la sensibilité de l œil n atteint même pas 5 % de la sensibilité maximale (pour l ª 550 nm) a. et b. Le Soleil n émet pas uniquement dans le domaine du visible, il émet aussi dans le domaine des ultraviolets (l < 80 nm) et des infrarouges (l > 780 nm). 2. a. Le maximum d émission est dans le domaine du visible : l max 500 nm = 5, m. b. En utilisant la loi de Wien, on obtient : T = 2, / = 5,8 x 10 K soit environ C.. a. Les maxima d émission du Soleil et de la sensibilité de l œil humain sont proches, respectivement 500 nm et 550 nm, donc dans le vert. b. Si la température de surface de notre étoile était plus élevée, son maximum d émission serait déplacé vers les plus faibles longueurs d onde (loi de Wien). Il en serait probablement de même pour le maximum de sensibilité de l œil a. = 2, /T = 2, /(0,0 + 27) = 9, m = 9,56 mm. b. 9,47 mm 9,6 mm lorsque la température cutanée passe de 28,0 C à,0 C. 2. a. les valeurs de sont largement supérieures à la limite du visible (0,780 mm), donc le rayonnement cutané est dans l infrarouge. b. Cette technique d imagerie ne présente aucun danger pour la santé car c est un examen non invasif puisqu il se limite à analyser, sans contact (et donc sans douleur), un rayonnement émis par la peau. c. Les caméras infrarouge servent : aux pompiers pour rechercher des victimes, pour localiser un foyer ou un point chaud à l armée ou à la police lors des opérations de nuits pour détecter la présence d individus ou d animaux ; aux recherches des zones froides (diagnostic thermique) ou humides (recherche de fuite) d un bâtiment ; à détecter les personnes ayant de la fièvre, par exemple dans un aéroport lors d une épidémie. 0

7 24 1. Le rayonnement émis par ces différentes diodes est polychromatique. 2. a. Le profil spectral des diodes a, c et d présente un pic d émission respectivement pour les longueurs d onde d environ 680 nm, 600 nm et 470 nm. b. Non, car la loi de Wien ne permet de déduire que la température d un corps chaud qui rayonne comme un corps noir, or l émission d une diode n est pas d origine thermique.. Le pic de ce profil spectral se situe dans l infrarouge pour des longueurs d onde (> 850 nm) qui ne peuvent être analysées par le spectroscope utilisé au laboratoire. 4. a. La diode b est l élément principal d une télécommande puisque c est la seule qui émet dans l infrarouge. b. La diode a est la «diode laser», car son pic d émission est très étroit, le rayonnement est «pratiquement» monochromatique La lumière blanche est obtenue par synthèse additive. 2. a. Le premier pic assez étroit se situe à 460 nm (bleu), le second très large se situe vers 550 nm (vertjaune) b. Le premier pic correspond à la lumière émise par la DEL bleue, le second à l émission des phosphores excités par la lumière bleue de la DEL.. a. Comme le spectre «lumière du jour», le spectre d une diode blanche est continu et s étale sur tout le domaine du visible, mais l intensité lumineuse présente des pics et des creux (intensité très importante des radiations bleues, intensité très faible des radiations cyan et d une partie des radiations vertes et rouges). b. La lumière jaune (lumière verte + lumière rouge) émise par les phosphores coïncide assez bien avec la courbe de la sensibilité de l œil, tandis que la lumière bleue très intense émise par la DEL bleue est fortement atténuée par l œil (zone de faible sensibilité) : par synthèse additive, on peut donc considérer comme blanche la lumière émise par la diode. En route vers la Terminale a. Les pics présents dans le spectre de la lumière émise par un tube fluorescent correspondent aux raies d émission des vapeurs de mercure. b. Les poudres permettent d obtenir une lumière dont le spectre continu contient toutes les lumières monochromatiques du visible. 2. Oui, car si les poudres fluorescentes produisent de la lumière visible, c est que la vapeur de mercure contenue dans le tube émet un rayonnement compris entre 200 et 00 nm, donc en dehors du visible.. On constate que l intensité relative des différentes radiations n est pas la même pour les deux tubes (la couleur de la lumière émise est différente), donc la nature de la poudre fluorescente déposée est différente. PARTIE 1 Séquence Sources de lumière colorée 1

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