CORRIGE du TP n 2 Chapitre 1 : Ondes et matière Un capteur de lumière : la photorésistance Objectifs Etudier l'influence de l'éclairement sur un capteur optoélectronique. Etudier l'influence de la concentration d'une solution colorée sur la lumière transmise par cette solution. Mettre en oeuvre une méthode de dosage par étalonnage. I) Contexte de la problématique Document 1 : la photorésistance Les photorésistances, au même titre que tous les autres composants optoélectroniques, tels que photodiodes, phototransistors, photopiles, etc... sont des composants électriques sensibles à l'éclairement qu'ils reçoivent (grandeur de photométrie, mesurée en lux). Une résistance se mesure en ohms (Ω) et traduit le fait que le composant résiste plus ou moins au passage du courant électrique à travers lui, et obéit à la loi d'ohm : U = R x I. C'est donc R qui varie en fonction de l'éclairement. schéma normalisé de photorésistance Document 2 : Cercle chromatique Document 3 : Spectre d'absorbance des ions Cuivre II (Cu 2+ ) en solution λ(nm) 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm 800 nm
Document 4 : le multimètre et ses calibres Le multimètre est un appareil de métrologie (science de la mesure) permettant, le plus souvent de mesurer les grandeurs électriques de tension, intensité, résistance, en courant continu ou alternatif. C'est un dipôle, donc est toujours connecté par 2 de des bornes : COM et A/mA pour mesurer une intensité, COM et V/Ω pour mesure une tension ou de résistance. Le multimètre doit toujours être au départ utilisé à partir de son calibre le plus grand. Si besoin et si la valeur mesurée le permet, on peut alors descendre de calibre, pour obtenir plus de précision, en termes de chiffres significatifs. Document 5 : schéma du dispositif expérimental Cuve contenant la solution colorée Photorésistance Diode laser Multimètre II)Matériel à disposition Attention!!! La diode laser émet un rayonnement très énergétique qui peut être dangereux pour l'oeil et la rétine : ne pas diriger le rayon laser directement dans les yeux et éviter de pointer des surfaces réfléchissantes pour éviter les réflexions, tout aussi dangereuses!!! 2 diodes laser (verte 532 nm et rouge 650 nm) 1 photorésistance (boîtier noir avec capteur central) 1 multimètre + 2 fils de connexion 1 règle ou 1 mètre-ruban 1 ordinateur + logiciel Latis Pro Pipettes jaugées de 5,0 ml et 10,0 ml 1 propipette 1 fiole jaugée de 50,0 ml 5 pipettes Pasteur 5 pots de yaourts 5 solutions de sulfate de cuivre II : * S2 à C2 = 2,00.10-1 mol/l * S3 à C3 = 3,00.10-1 mol/l * S4 à C4 = 4,00.10-1 mol/l * S5 à C5 = 5,00.10-1 mol/l * S inc de concentration inconnue
III) Préparation de la courbe d'étalonnage 1) Choix de la lumière éclairante (10 minutes conseillées) 1. Afin de réaliser l'expérience décrite dans le document 5, un laser de couleur adaptée doit être choisi : quel est ce laser? Justifier. La solution de sulfate de cuivre étant de couleur bleue turquoise (cyan), cela signifie qu'elle absorbe dans le rouge/rouge-orangé. On peut s'en convaincre à l'aide de la courbe d'absorbance, qui donne un maximum d'absorption dans le rouge (grandes longueurs d'onde). Donc le laser rouge sera plus adapté que le laser vert... A l'inverse, un laser ne peut convenir, car, grâce à la même courbe d'absorbance, on constate que pour les longueurs d'onde correspondantes à la lumière verte, il n'y a pas d'absorption, et donc, quelle que soit la concentration des ions Cu 2+ cyan, le laser vert traverse la solution sans être absorbée et on ne pourrait pas obtenir une courbe d'étalonnage. 2) Préparation de la solution S1 (10 minutes + 40 minutes conseillées) On veut préparer une 5ème solution aqueuse de sulfate de cuivre de concentration connue S1 de concentration C1 = 1,00.10-1 mol/l. 2. Proposer un protocole expérimental afin de réaliser cette solution. On dispose d'une fiole jaugée de 50,0 ml qui sera donc la fiole contenant la solution fille et de 2 pipettes de 5 et/ou 10 ml. Il faut garder à l'esprit qu'il est préférable d'effectuer un minimum de prélévements à la pipette jaugée pour minimiser l'erreur lors de la dilution donc comme : R = Vf/Vi = Ci/Cf avec : Vf = 50,0 ml; Vi = 5,0 ou 10 ml et : Cf = 1,00 mol/l, quelle solution mère choisir? En prenant la pipette de 10 ml, on a : Ci = (Vf/Vi)*Cf = (50,0/10)*1,00 = 5,00 mol/l Finalement : - On pipette 10,0 ml de solution S5 qu'on transvase dans la fiole jaugée de 50,0 ml. - On complète avec de l'eau distillée jusqu'au début du col de la fiole avec la pissette. - On ajuste au trait de jauge avec une pipette Pasteur. - On bouche et on agite pour homogénéiser. 3. Réaliser le protocole de préparation de S1. 4. Mettre en oeuvre le protocole expérimental décrit dans le document 5 en utilisant le laser choisi précédemment. 5. Mesurer la résistance de la photorésistance pour chacune des solutions consignées dans le tableau ci-dessous :
a) Quelle précaution de mesure doit on préalablement prendre? Entre chaque mesure, il faut faire attention à ne pas changer la distance entre laser et photorésistance et ne pas changer l'éclairage ambiant non plus, donc ne pas faire "ombrage" en se penchant sur la photorésistance, par exemple. Il faut également faire attention à la propreté des cuves utilisées qui doivent être manipulées sur les côtés "striés" pour ne pas perturber le passage du laser sur les faces lisses par des traces grasses de doigt... Enfin, garder le même emplacement pour les cuves lors des mesures... b) Tableau de mesures : Solution Eau distillée S1 S2 S3 S4 S5 Concentration (mol/l) Résistance R (kω) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 174 278 383 540 755 977 Calibre choisi 200 2k 2k 2k 2k 2k 6. On veut tracer une courbe d'étalonnage : de quelle courbe s'agit il dans notre cas? R étant mesurée par le multimètre, on trace : C = f(r) car, si on connaît R mesurée on pourra trouver C, son image... On peut alors aussi bien tracer : R = f(c), une coordonnée connue permettant toujours de trouver l'autre grâce à la courbe. 7. Al'aide du logiciel Latis Pro, de sa notice et des résultats expérimentaux, tracer une courbe d'étalonnage (faire une sauvegarde du fichier.ltp sur le Bureau).
IV) Détermination de la concentration de la solution inconnue 1) Elaboration du protocole 7. Proposer une méthode afin de déterminer la concentration de la solution S inc. La courbe d'étalonnage n'est pas linéaire, mais on peut tout de même l'employer comme courbe donnant l'image C inc à partir d'un antécédent connu : R inc. On met donc la solution inconnue dans une cuve, et on mesure R inc de la photorésistance dans les mêmes conditions de mesure que pour les autres solutions et on lit C inc à partir de la courbe d'étalonnage pour l'antécédent R inc. 2) Mesure de la concentration de S inc 8. Déterminer la concentration de cette solution. On mesure R inc = 578 Ω et à partir de la courbe d'étalonnage, on tire : C inc = 0,318 mol/l. 9. Quelle(s) critique(s) peut on faire quant aux mesures réalisées? On peut d'abord calculer l'erreur relative, la concentration attendue de la solution inconnue était de 0,33 mol/l, donc : ε R = 0,33 0,318 * 100 / 0,33 = 3,6 % d'erreur ce qui est très correct. Quoi qu'il en soit, on aurait pu améliorer nos mesures pour réaliser une meilleure courbe d'étalonnage en : En se mettant dans le noir et en limitant au maximum les fluctuations extérieures de flux lumineux de photons (ce qui revient à se mettre dans les conditions de mesures d'un spectrophotomètre...)
En utilisant des cuves propres ou mieux, neuves. En utilisant un support permettant de fixer mieux les 3 éléments de mesures : photorésistance, laser, cuve Réalisant plus de mesures, de façon à réaliser une courbe plus lisse et moins segmentée Eventuellement en essayant de modéliser la courbe d'étalonnage par un modèle ici non standard... En fait, il s'agit d'une équation de type : R = a.c b + d