METS DE LA COULEUR DANS TA VIE!

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1 Etudiants Agrégation : Jamila El BEGHDADI Sonia GIRARD Alain ROBER METS DE LA COULEUR DANS TA VIE! 1- La situation problème : Nous vivons dans un monde coloré. On voit tous les jours des objets de couleurs et de teintes différentes mais nous ne nous posons jamais la question pourquoi c est comme cela. «Que ce soit pour redonner une nouvelle vie à ton vieux vélo ou pour décorer la chambre que tu viens d emménager, tu vas utiliser de la peinture et c est surtout le choix de sa couleur qui donnera une autre physionomie à un objet ou une pièce.» Mais c est quoi la couleur, d où vient-elle? «Tu as choisi une peinture au magasin et quand tu rentres chez toi tu es déçu car tu as l impression que ce n est pas exactement la même.» Voyons nous tous les couleurs de la même manière et dans toutes les situations? Comment se fait-il qu un même objet n ait pas toujours l air d avoir la même couleur? Qu est-ce qui fait que l on a une couleur profonde/intense ou pâle/claire? La couleur est elle propre à ce que nous regardons? La lumière a elle une couleur? C est au travers de diverses expériences que nous allons chercher à mettre toutes ces questions «en lumière» et plus particulièrement à comprendre ce qui «fait» la couleur. 2- Public visé : 4 ème secondaire supérieur 3- Liens avec le programme : La matière à l échelle atomique et moléculaire. Evolution du modèle atomique jusqu au modèle de Bohr. Phénomènes optiques en physique. Emission et absorption de lumière, dispersion et spectre. 4- Pré-requis nécessaires : 3è sciences générales en physique : Savoirs : - émission et absorption de lumière. - l œil. - décomposition de la lumière. Niveaux de maîtrise : décrire la lumière comme une forme d énergie. 3è sciences générales en chimie : Savoirs : constitution de la matière. Niveaux de maîtrise : montrer que le modèle de l atome évolue (de Démocrite à Chadwick). UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 1 / 24

2 5- Compétences visées : CG1 en sciences de base : modéliser, dans le cadre d une discipline scientifique, une technologie ou un phénomène courant en tenant compte éventuellement d aspects techniques, sociaux, économiques ou culturels. CG3 en sciences générales : observer et interpréter un phénomène ou prévoir son évolution. Expliquer le fonctionnement d un objet technologique en utilisant des modèles ou des théories scientifiques dont il convient d estimer la pertinence et les limites. 6- Concepts/Notions à faire acquérir : Lumière : La lumière est une forme d énergie issue de deux composantes, onde et particules (photons). - une onde électromagnétique se propageant dans l espace et dans le temps ; - un aspect corpusculaire : les photons ; - la diffusion de la lumière dépend de l indice de réfraction du milieu dans laquelle elle se propage. Couleur : La couleur d un objet est le résultat de l action conjuguée de trois paramètres : - la source lumineuse, - l objet regardé, - l œil de l observateur. La couleur perçue d un objet résulte de l absorption de certaines longueurs d ondes du rayonnement et de la dispersion des autres. C est l effet visuel résultant de la composition spectrale de la lumière qui est envoyée, transmise ou réfléchie par des objets. La couleur de la lumière est caractérisée par sa fréquence, elle même conditionnée par la longueur d onde et la célérité de l onde : Peinture : - mélange contenant un liant, des pigments, un solvant. Elle a diverses applications : par exemple la décoration et la protection des métaux contre la corrosion. Quand elle sèche l eau ou le solvant s évapore. - différents types de peintures : à l eau et à l huile, entre autres. Pigment : Un pigment est un matière colorante insoluble dans le milieu dans lequel elle est incorporée. On appelle pigment toute particule fine de matière noire, blanche ou colorée qui donne de la couleur au substrat dans lequel elle est incorporée. On utilise souvent le TiO 2, dioxyde de titane, pour maximiser la diffusion de la lumière grâce à son pouvoir opacifiant. Œil : L œil est l organe de base de la vision, c est un récepteur. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 2 / 24

3 CARTE CONCEPTUELLE : Couleur est le résultat de l action conjuguée de Lumière Objet Œil est une forme recouvert de Energie Peinture contient Photons Ondes électromagnétiques Pigment Solvant qui expliquent caractérisés par Modèle de Bohr Indice de réfraction UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 3 / 24

4 PROGRAMME DETAILLE DES ACTIVITES Timing :1h15 I- Introduction 1-1 Mise en scène de la situation problème Arrivée des élèves dans le local. Ils voient des objets de couleurs différentes placés sur une table. On leur demande de citer les couleurs qu ils voient. On éclaire les objets avec une lumière rouge. De quelle couleur sont les objets? On éclaire ensuite les objets avec une lumière bleue. On éclaire enfin les objets avec une lumière verte. Même question, de quelle couleur sont les objets? On éteint ensuite toutes les lumières et on leur repose la même question. Objectif : montrer que la vision d une couleur est définie par trois paramètres : la source lumineuse, l objet regardé et l œil de l observateur. 1-2 Recueillir les représentations Sur base de ce qu ils ont observé, leur faire dire pourquoi ils ont noté des différences de perception des couleurs des objets exposés. Leur donner un schéma œil-objet-lumière et leur faire dessiner les flèches. 1-3 Amener les élèves à formuler des hypothèses De quoi dépend la couleur d un objet? Pourquoi ont-ils vu des différences de couleur sous les différentes lumières? De quoi dépend la couleur de la lumière? Pourquoi la lumière influence-elle notre vision des couleurs? Perception des couleurs et couleurs des objets : La couleur d un objet dépend de la composition de la lumière émise et de la qualité du récepteur et elle est déterminée par les rayons lumineux qu il n absorbe pas. Sans lumière, on ne voit pas les couleurs. La couleur de la lumière est définie par sa longueur d onde. Retour sur le schéma œil-objet-lumière et mettre les flèches dans le bon sens, notion que l œil est un récepteur. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 4 / 24

5 II- Expériences 2-1- Expérience 1 : Modèle de Bohr La lumière peut-elle avoir différentes couleurs?. Exemple des feux d artifice: comment ça marche? Objectif : Observer les différentes couleurs de flamme obtenues en chauffant différents sels et interpréter. Temps : 20 min Consignes : Se séparer en 2 groupes Prendre les solutions alcooliques préparées dans des vaporisateurs Chaque groupe se met avec un organisateur sous une hotte et observe Noter la couleur que prend la flamme pour chaque produit Consignes de sécurité : Mettre un tablier (en coton) Lire étiquettes avant de manipuler un produit En cas de brûlure même légère prévenir un responsable ou un collègue et mettre immédiatement la partie brûlée sous un léger filet d eau froide (tiède) pendant 15 minutes En cas d odeur de gaz prévenir un responsable, éteindre le bec Bunsen A la fin de la manipulation bien se laver les mains au savon Matériel nécessaire : Becs Bunsen Solutions des produits chimiques suivants (vaporisateurs) : NaCl NaNO 3 Sr(NO 3 ) 2 CuCl 2 LiCl KCl DEROULEMENT DE L ACTIVITE On va vaporiser des solutions dans une flamme o Qu observe-t-on? o De quoi dépend de la couleur de la flamme? o De quelle partie de la solution vaporisée? Exemple dans KCl et NaCl Quel est l élément chimique qui va déterminer la couleur de la flamme? Est-ce l anion ou le cation? Quelles sont les représentations que vous avez du modèle de l atome? UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 5 / 24

6 RESTRUCTURATION : LE MODELE ATOMIQUE DE BOHR Comme on l a vu il y a un lien entre la couleur de la lumière émise et l énergie. Energie Energie Violet Indigo Bleu Vert Jaune Orange Rouge K Na Li Violet Indigo Bleu Vert Jaune Orange Rouge Ba Sr D après ce diagramme d énergie on peut dire par exemple que la coloration orange de la flamme propre au sodium (Na) traduit une restitution d énergie moins grande que celle du potassium (K) dont la flamme est violette. Considérons que la quantité d énergie fournie par le flamme est la même dans chaque expérience. l énergie restituée lors de l émission d une couleur est différente d un atome à l autre, l énergie absorbée par les atomes est différente, les électrons excités atteignent des niveaux d énergie différents suivants les atomes, il existe donc différents niveaux d énergie pour les électrons dans les atomes. C est le modèle de l atome selon Bohr. Les différents niveaux d énergie sont appelés COUCHES électroniques K, L, M, Un niveau d énergie est une quantité précise d énergie qu un système physique peut avoir et qui est surtout utilisé pour l état des électrons dans les atomes ou les molécules. D après la mécanique quantique, les électrons ne peuvent pas êtres disposés n importe comment autour du noyau de l atome. Les trajectoires possibles que peuvent prendre les électrons sont appelés niveaux d énergie. Plus le niveau est éloigné du noyau de l atome et plus l énergie est importante. La disposition de ces niveaux d énergie est caractéristique d un atome et elle se calcule à partir du nombre quantique principal n. La formule pour trouver le nombre d électrons pouvant être contenu sur un niveau d énergie n est 2 n². UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 6 / 24

7 Des atomes excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'ondes présentes. On le matérialise à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'ondes émises. Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément. Spectre d'émission: raies spectrales d'émission de l'hydrogène Selon le modèle de Bohr, l'électron tourne autour du noyau, sur une couche électronique bien définie*. (*) résultats de son expérimentation! Sous l'effet de l'énergie thermique (chaleur) ou électrique ou encore par une onde électromagnétique (photon), l'électron est excité par cette énergie qu'il absorbe et saute sur une couche électronique plus énergétique. L'électron est sur une couche électronique plus énergétique. Cette situation est instable et le besoin de stabilité l'amène à perdre cette énergie pour se rapprocher du noyau. L'électron revient sur sa couche électronique, à son état fondamental. Lors de son retour, il libère, sous forme d'énergie lumineuse (photons), l'énergie thermique ou électrique qu'il avait absorbée. L'électron est à nouveau sur sa couche électronique définie. Nous venons de voir de quoi dépendait la couleur de la lumière, nous allons maintenant voir de quoi dépend la perception de la couleur d un objet. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 7 / 24

8 2-2- Expériences 2 : diffusion de la lumière dans une peinture Comment maximiser ou minimiser la diffusion de la lumière dans une peinture? Objectif : Observer et comprendre l effet de différents paramètres qui influencent la diffusion de la lumière dans une peinture. Temps : 20 min Consignes : Se séparer 4 groupes Fabriquer une peinture à l'huile : pigment dilué de manière homogène dans une résine siccative à base d'huile de lin. Fabriquer une peinture à l eau : aquarelle diluée dans l eau. L aquarelle est déjà prête et est composée de pigments finement broyés collés avec de la gomme arabique. Appliquer un vernis. Consignes de sécurité : Mettre un tablier (en coton) Lire les étiquettes avant de manipuler un produit A la fin de la manipulation : laver les pinceaux utilisés au savon. Matériel nécessaire : Pinceaux Support : papiers à dessin blanc et de couleur Produits chimiques : Vernis (n ~ 1,5) mat Huile de lin Tubes d aquarelle (jaune et magenta) Blanc de zinc Dioxyde de Titane(TiO 2 ) Pigments : rouge vénitien et jaune de citron DEROULEMENT DES 3 MANIPULATIONS : Manipulation 1 : Comparaison d un échantillon de peinture à l huile et d aquarelle : observer la différence d aspect o Préparer un tube d aquarelle de couleur X. En prélever une petite partie et la diluer dans un peu d eau o Fabriquer une peinture à l huile de même couleur X en mélangeant le pigment X dans l huile de lin o Appliquer l aquarelle sur le papier à dessin n 1 o Appliquer la peinture à l huile sur le papier à dessin n 2 o Observer, comparer et conclure : Quelle couleur apparaît la plus pâle? De quoi peut dépendre la couleur observée? Comment expliquer les phénomènes observés? Qu est-ce que l indice de réfraction d un milieu? Arriver à la conclusion qu il y a un lien entre indice de réfraction d une peinture et la perception de la couleur que l on en a. Cette manipulation permet d observer la différence des couleurs qui apparaissent plus pâles dans une aquarelle (peinture à l'eau) que dans une toile peinte à l'huile puisque l'indice de réfraction de l'eau n(h 2 O) = 1,33 est inférieur à l'indice d'une huile (n ~ 1,5) (diffusion de la lumière plus importante pour l'aquarelle). UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 8 / 24

9 Manipulation 1 (suite): Effet de l application d un vernis sur de l aquarelle : observer l effet sur l impression de couleur. o o Mettre du vernis sur l échantillon d aquarelle (papier n 1) Observer l effet, comparer et conclure Connaissant l indice de réfraction du vernis (n ~ 1,5), quel effet peut-il avoir sur la diffusion de la lumière? Faire formuler des hypothèses sur les raisons, les aider en rappelant ce qu est l indice de réfraction Grâce à l application d un vernis sur l aquarelle on minimise les phénomènes de diffusion de la lumière ce qui permet d obtenir des couleurs plus foncées. Manipulation 2 : Comment augmenter la diffusion de la lumière dans une peinture : observer l influence de l opacité sur la luminosité? A l'inverse de l expérience précédente, si l'on cherche à maximiser la diffusion de la lumière (peinture blanche), on a intérêt à disperser dans le mélange de peinture une matière ayant un indice de réfraction le plus grand possible. o Fabriquer deux peintures blanches à l huile : 1- en mélangeant le blanc de Zinc dans l huile de lin. 2- en ajoutant du dioxyde de Titane(TiO 2 ) au mélange 1. o Appliquer chaque type de peinture fabriquée sur un papier de couleur. o o Comparer la luminosité des deux peintures blanches et justifier Quel est le rôle du dioxyde de Titane(TiO 2 ) sachant que son indice de réfraction est inégalé (n ~ 2,8)? Le dioxyde de titane TiO 2 sous la forme de particules mono-dispersées de tailles comprises entre 0,7 et 1 µm est de nos jours le meilleur candidat en raison de son indice de réfraction inégalé (n ~ 2,8) par rapport à sa très faible toxicité chimique. RESTRUCTURATION : REFLEXION, REFRACTION ET DIFFUSION DE LA LUMIERE La lumière arrivant sur un objet translucide est réfléchie, diffusée ou réfractée (ou «transmise») comme le montre la figure suivante : Donc, la lumière qui arrive à un observateur est le résultat d'une combinaison de lumière réfléchie, diffusée ou réfractée. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 9 / 24

10 Réflexion de la lumière : Si un rayon de lumière se propage dans un milieu 1 et arrive à la surface d'un second milieu 2, la lumière est réfléchie sans pénétrer dans le second milieu. Cette réflexion obéit à la loi de Descartes : L'angle d'incidence i 1 est égal à l'angle de réflexion i 2. Par convention, cet angle est pris par rapport à la normale N à la surface (la normale N est la droite perpendiculaire à la surface). Réfraction de la lumière : La réfraction est la déviation des rayons lumineux passant d'un milieu 1 transparent (au moins en partie transparent) à un autre milieu 2 transparent (au moins en partie transparent). L'angle de déviation du rayon réfracté i 2 dépend d'un paramètre supplémentaire : l'indice de réfraction des milieux 1 et 2 suivant la loi de Descartes : n 1 sin i 1 = n 2 sin i 2 Cet indice est fonction de la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu. Rappelons que la lumière se propage à kilomètres par seconde uniquement dans le vide. Cette vitesse change quand la lumière traverse un autre milieu que le vide. L'indice de réfraction de l'eau est égal à 1,3 et 1,5 pour le verre par exemple. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 10 / 24

11 Un milieu homogène transparent est caractérisé par son indice de réfraction n : c n = v avec c vitesse de la lumière dans le vide et v vitesse de la lumière dans le milieu considéré tous les indices sont supérieurs à 1. Quelques indices de réfraction eau 1.33 alcool 1.36 verre ordinaire 1.50 cristal 2.00 diamant 2.42 air Le crayon nous paraît «brisé» à cause de la réfraction de la lumière qui est différente dans l air et dans l eau (indices de réfraction différents). Diffusion de la lumière : La lumière qui entre dans un matériau, du fait de ses irrégularités ou de ses inhomogénéités, accomplit un trajet chaotique avant de ressortir dans une direction aléatoire. On obtient alors de la lumière diffusée, qui est réémise dans toutes les directions. La diffusion de la lumière est un phénomène qui est toujours associé à la couleur puisqu il entre toujours en jeu dans la lumière renvoyée par le matériau et reçue par l observateur. UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 11 / 24

12 8- Bibliographie : Programmes de Sciences de la FESeC, Fédération de l Enseignement Secondaire Catholique, Bruxelles, Livre de Boeck Chimie 3/4è, page date d accès : novembre date d accès : novembre date d accès : novembre date d accès : février date d accès : février date d accès : février 2007 UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 12 / 24

13 PRINTEMPS DES SCIENCES MARS 2007 METS DE LA COULEUR DANS TA VIE! Jamila El Beghdadi - Sonia GIRARD, Alain ROBERT UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 13 / 24

14 I- Activité 1 : mise en situation Tu as devant toi sur une table des objets de différentes couleurs De quelle couleur vois-tu chaque objet? (complète le tableau ci-dessous) Toutes les lumières sont éteintes, que vois-tu? On allume une lumière rouge, bleue, puis verte : de quelles couleurs vois-tu chaque objet? (complète le tableau ci-dessous) OBJET Lumière «blanche» Lumière rouge LUMIÈRE Lumière bleue Lumière verte Dessine sur le schéma ci-dessous, au crayon, le trajet des rayons lumineux : Schéma : vision d un objet UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 14 / 24

15 Donc, la couleur d un objet dépend : UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 15 / 24

16 II- Activité 2 : expériences 2-1 Expérience 1 : Test de flamme La lumière est-elle colorée? Pour pouvoir répondre, nous te proposons d observer les différentes couleurs de flamme obtenues en chauffant différentes solutions à base de différents composés chimiques Matériel et consignes Matériel nécessaire : Chalumeaux Six sprays contenant une solution alcoolique des sels suivants : NaCl ; NaNO 3 ; Sr(NO 3 ) 2 ; CuCl 2 ; LiCl ; KCl Consignes de sécurité : Vaporiser les solutions sous la hotte!! Mettre un tablier (en coton) Lire les étiquettes avant de manipuler un produit En cas de brûlure même légère prévenir un responsable ou un collègue et mettre immédiatement la partie brûlée sous un léger filet d eau froide (tiède) pendant 15 minutes En cas d odeur de gaz prévenir un responsable, éteindre le bec Bunsen A la fin de la manipulation bien se laver les mains au savon UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 16 / 24

17 2-1-3 Mode opératoire et résultats On vaporise des solutions dans une flamme : Qu observes-tu? (complète le tableau ci-dessous) Sel Cation Anion Couleur de la flamme NaCl De quoi dépend la couleur de la flamme? (Pour t aider à répondre : de quelle partie de la solution vaporisée? Par exemple dans KCl et NaCl, quel est l élément chimique qui va déterminer la couleur de la flamme?) UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 17 / 24

18 Interprétation Considérons un atome avec un électron. Complète les noms des états dans lesquels se trouve l électron : UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 18 / 24

19 2-2 Expériences 2 : Diffusion de la lumière dans une peinture Quels paramètres influencent la diffusion de la lumière dans une peinture? Pour pouvoir répondre, nous te proposons de faire par groupe de 4 élèves, 3 manipulations (une manipulation par groupe) Matériel et consignes Consignes de sécurité : Mettre un tablier (en coton) Lire les étiquettes avant de manipuler un produit A la fin de la manipulation : laver les pinceaux utilisés au savon et se laver les mains. Matériel nécessaire : Pinceaux Support : papier à dessin blanc Produits chimiques : - Vernis (n ~ 1,5) mat - Huile de lin - Tubes d aquarelle - Blanc de zinc - Dioxyde de titane ( TiO 2 ) - Rouge vénitien!!! A la fin de la manipulation : bien laver les pinceaux avec du savon!!! Modes opératoires et résultats Groupe 1&2 - Manipulation 1 : a/ Comparaison d un échantillon de peinture à l huile et d aquarelle : observer la différence d aspect o Prendre un tube d aquarelle de couleur X. En prélever une petite partie et la diluer dans un peu d eau o Fabriquer une peinture à l huile de même couleur X en mélangeant le pigment X dans de l huile de lin o Appliquer l aquarelle et la peinture à l huile sur le papier à dessin en notant sous chacun d eux la peinture utilisée o Observe et compare o Quelle couleur apparaît la plus pâle celle qui vient de l aquarelle ou celle de la peinture à base d huile? UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 19 / 24

20 b/ Effet de l application d un vernis sur de l aquarelle : observer l effet sur l impression de couleur o Mettre du vernis sur l échantillon d aquarelle o Observe et compare : UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 20 / 24

21 2-2-3 Modes opératoires et résultats (suite) Groupe 3&4 - Manipulation 2 : Comment augmenter la diffusion de la lumière dans une peinture? Influence de l ajout de dioxyde de titane sur la luminosité o Fabriquer deux peintures blanches à l huile : 3- en mélangeant le blanc de Zinc dans l huile de lin. 4- en ajoutant du dioxyde de Titane (TiO 2 ) au mélange 1. o Appliquer chaque type de peinture fabriquée sur un papier de couleur. o Observe et compare les deux peintures blanches : UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 21 / 24

22 Interprétation Groupe 1&2 - Manipulation 1 : a/ Comparaison d un échantillon de peinture à l huile et d aquarelle o De quoi peut dépendre la couleur observée? Groupe 2 - Manipulation 2 : b/ Effet de l application d un vernis sur de l aquarelle o Connaissant l indice de réfraction du vernis (n ~ 1,5), quel effet peut-il avoir sur la diffusion de la lumière? Groupe 3&4 - Manipulation 2 : Comment augmenter la diffusion de la lumière dans une peinture? o Quel est le rôle du dioxyde de Titane (TiO 2 ) sachant que son indice de réfraction est très grand : n ~ 2,8? UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 22 / 24

23 III- Activité 3 : restructuration et conclusions En te basant sur toutes ces expériences et leurs interprétations, tu peux maintenant répondre à ces questions : Tu as choisi une peinture au magasin et quand tu rentres chez toi tu as l impression que ce n est pas exactement la même. Comment se fait-il qu un même objet n ait pas toujours la même couleur? Lien entre l expérience 1 et les 3 autres manipulations, complète le texte cidessous : La couleur de la a une influence sur la couleur de que l on regarde. Qu est-ce que la couleur? La couleur est donc une visuelle, elle n est pas absolue, elle est : elle dépend de plusieurs facteurs : UCL - Printemps des Sciences 2007 Page 23 / 24

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