La lumière pour goûter les planètes (et les étoiles)
DOSSIER REALISE PAR LES ELEVES DE 4 /3 DE L ATELIER SCIENTIFIQUE 2015-2016 EN COLLABORATION AVEC VINCENT BOUDON CHERCHEUR AU LABORATOIRE INTERDISCIPLINAIRE CARNOT DE BOURGOGNE Elèves : Faustine AUGROS, Estelle JACQUET, Fanny PROTHET, Lucas RUGET, Melek ARISOY, Oriane BOSSU, Hichem ABDERRAZAK, Ibrahim BEN OUAMER, Mohamed DIABY Professeur: M PRIGENT 2
SOMMAIRE La nature de la lumière 1.La lumière est une onde (p4) 2. La lumière blanche est un mélange de couleurs A. La décomposition de la lumière (p 4) B. L arc-en-ciel : un spectre lumineux (p 6) Les spectres lumineux 1.Le spectre du Soleil A. Fiche d identité (p 7) B. Que nous apprennent les raies spectrales? (p 8) 2. Les spectres lumineux des planètes (p 8) 3. Les planètes géantes (p 9) 4. Titan, du méthane partout (p 10) 5. Le milieu interstellaire et les nébuleuses (p 11) 3
I) La Nature de la lumière 1. La lumière est une onde Une onde désigne le phénomène par lequel l'énergie est transportée sans le déplacement de la matière. L'amplitude : C'est ce qui correspond à la hauteur des oscillations. -La longueur d'onde : C'est la distance entre deux oscillations. -La fréquence : C'est le nombre d oscillations par seconde (hertz). On mesure une longueur d onde en nanomètres (1nm =1 milliardième de m). Chaque couleur a son domaine de longueurs d'onde. 2. La lumière blanche est un mélange de couleurs A. La décomposition de la lumière En1666, Isaac Newton décompose la lumière à l'aide d'un prisme. S'il n'est pas le premier à le faire, il est le premier à comprendre que la lumière blanche est composée de l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel. Avant lui, certains pensaient que les couleurs étaient dues au milieu traversé, voire à un effet de la lumière sur notre système sensoriel (Descartes). 4
On peut, si on fait passer par un prisme un rayon du soleil, observer à sa sortie la décomposition du faisceau lumineux. Les propriétés du prisme font dévier les rayons lumineux dont la longueur d'onde est différente. Le faisceau initial apparaît alors sous la forme d'une juxtaposition de radiations colorées, rangées dans l'ordre progressif de leurs longueurs d'onde partant du violet, dont la déviation est maximale, et arrivant au rouge dont la déviation est minimale. On dit que le prisme adécomposé la lumière du soleil. La lumière du soleil est constituée d'un ensemble de rayonnements dont les longueurs d'onde qui se situent entre 400 et 700 nm environ correspondent aux longueurs d ondes visibles par l œil humain. Nous ne parvenons à percevoir que cette portion de rayonnements, car le cristallin humain n est pas assez transparent pour laisser passer les radiations des ultraviolets. Quant aux infrarouges, nous ne possédons pas de pigments visuels adaptés à cette longueur d onde. 5
B. L'arc-en-ciel : un spectre lumineux Pour obtenir un arc en ciel il faut, qu à l intérieur d une goutte de pluie, la lumière du soleil soit réfractée puis réfléchie puis réfractée de nouveau. Pour percevoir l'arc-en-ciel, il faut être placé comme le dessin nous le montre : le soleil derrière l'observateur et les gouttes de pluies devant. 6
II. Les spectres lumineux 1. Le spectre du soleil A. Fiche d'identité : Les raies spectrales sont des lignes sombres dans un spectre lumineux. Elles sont créées par l'absorption de l'énergie de certaines couleurs par les molécules présentes dans l'atmosphère. Plusieurs traits noirs représentent la présence d un atome ou d'une molécule. H H Mg Na H H = Hydrogène ; Mg= Magnésium ; Na= Sodium 7
B. Que nous apprennent les raies spectrales? Elles nous apprennent la composition de l'atmosphère autour de l'astre ou de la planète qui nous envoie de la lumière. Cette composition varie d'une planète (ou d'une étoile) à l'autre. Par exemple, en observant le spectre lumineux du Soleil, nous avons pu constater que son atmosphère contient de l'hydrogène, du magnésium et beaucoup d'autres atomes. 2. Les spectres lumineux des planètes : Les étoiles envoient de la lumière et de l'énergie. Les planètes le font également. Elles reçoivent la lumière d'une étoile. Après avoir reçu cette lumière, elles en gardent une partie et rejettent le reste dans l'univers, nous renvoyant donc de la lumière. Pour avoir le spectre lumineux de Saturne, il faut déjà que Saturne absorbe une partie des couleurs. En réalité c'est son atmosphère qui prend une partie des couleurs, formant ainsi des raies spectrales que l'on peut analyser sur Terre. Les couleurs absorbées correspondent à un certain niveau d'énergie. Par exemple, Saturne nous envoie de l'énergie sous forme de lumière : Spectre de Saturne : Longueur d'onde en nm= Nanomètre 8
Saturne absorbe des couleurs (rouge, infrarouge). Ce qui montre que l'atmosphère de Saturne contient du méthane (CH 4 ). Bien sûr, elle contient aussi d'autres molécules (voir «Les planètes géantes»). 3. Les planètes géantes Les planètes géantes sont constituées d un mélange de gaz. Voici les exemples de molécules que nous trouvons dans l'atmosphère des planètes géantes. On en retrouve certaines sur Terre (méthane, hélium, hydrogène... ). 9
4. Titan, du méthane partout! Titan fait partie des lunes de Saturne, elle est aussi la plus grosse de ses lunes. L'atmosphère de Titan contient du méthane en grande quantité. Comme la Terre, Titan contient des rivières, des lacs, des nuages sauf que ce n'est pas de l'eau qui coule mais du méthane. Sur Titan, la température est de -180 C. Donc le méthane est sous forme liquide. Nous trouvons aussi de l eau sur Titan sauf qu on la trouve sous forme solide (glace) à cause des températures très basses. Lacs Nuages Atmosphère Rivières Sol (galets de glace d eau) 10
5. Le milieu interstellaire et les nébuleuses Les milieux interstellaires sont principalement constitués de vide, contrairement aux nébuleuses qui sont composées de molécules organiques complexes (acides aminés* ). *Acides aminés : Les acides aminés sont des molécules qui, combinées entre-elles, forment les protéines. Ils ont probablement participé à l'apparition de la vie sur terre : les scientifiques pensent que certains acides aminés étaient déjà présents à l'origine de la vie terrestre, il y a quelque 4 milliards d'années. 11