T. P. n°2 : les spectres lumineux

T.P. n°2 : LES SPECTRES LUMINEUX. Essayons de comprendre comment, à partir de la lumière que nous recevons des étoiles, il est possible de connaître leur température, et les éléments chimiques qui constituent leur enveloppe extérieure. Qu’est-ce qu’une couleur ? La lumière est une onde : on peut comparer sa propagation dans un milieu (matériau) transparent à la propagation des vagues à la surface de l’eau. La distance qui sépare deux sommets de vague voisins s’appelle longueur d’onde. On la note  (cette lettre grecque se lit « lambda »). A chaque couleur visible correspond une longueur d’onde particulière, comprise entre environ 0,4μm pour le violet et 0,8μm pour le rouge, en passant par 0,6μm pour le jaune-vert (1μm = 10–6 m). Les ondes de <400nm sont appelées ultra-violet et sont responsables du bronzage de la peau. Les ondes de >800nm sont appelées infrarouge et sont émises par les corps chauds (radiateur, soleil,…). Les ultra-violets et les infrarouges ne sont pas visibles par l’œil humain. La couleur blanche correspond à la superposition de toutes les couleurs de l’arc en ciel. La couleur noire correspond à l’absence de lumière. Expérience 1: Tu disposes de 6 filtres colorés nommés: rouge, vert, bleu, cyan, magenta et jaune. Certains de ces filtres ne laissent passer qu'une couleur (appelée couleur primaire), d'autres laissent passer 2 couleurs différentes (la couleur apparente de ce filtre est appelée couleur secondaire). Propose un protocole pour classer ces filtres en 2 catégories: primaire et secondaire, puis précise pour chaque filtre quelles sont les couleurs qu'il laisse passer. Expérience 2 : Un projecteur de diapositives projette l’image d’une fente sur un écran. Qu’appelle-t-on « une fente » en optique ? Décris l’aspect de l’image observée (forme, couleur). On interpose sur le trajet de la lumière un des filtres utilisés précédemment. Comment se modifie l'image de la fente sur l'écran ? On recommence cette dernière expérience en utilisant un laser comme source de lumière, qu’observe-t-on sur l’écran en fonction du filtre utilisé ? On dit que le laser est une source de lumière monochromatique, tandis que la lampe à incandescence qui se trouve dans le projecteur de diapositives est polychromatique… justifie ces adjectifs. Les tubes fluorescents, appelés tubes « néon », qui éclairent la salle de classe sont-ils des sources de lumière mono ou polychromatique ? justifie ta réponse par une expérience. Même question pour le soleil. Quel phénomène naturel permet de répondre à cette question ? Quelle est la cause de ce phénomène naturel ? Comment obtenir le spectre d’une source lumineuse ? Expérience 3 : Modifier l’expérience 2 en intercalant un prisme en verre sur le trajet de la lumière. Rappelle ce qu’est un prisme et fais ci-contre un schéma vu en coupe d’un prisme. Décris ce que tu observes sur l’écran et qui s’appelle le « spectre » de la lampe utilisée : Quelle est la couleur la plus déviée par le prisme ? Fais un schéma (en vue de dessus) du dispositif utilisé en classe pour obtenir le spectre de la lampe à incandescence (qui est dans le projecteur de diapositives). Fais ci-dessous un schéma sur lequel tu représenteras : * Un prisme de section équilatérale (fait au compas), de 5,0cm de côté, la base du prisme étant horizontale. * La normale au dioptre de gauche passant par le milieu I de ce dioptre (à l’aide d’une équerre). * Un rayon de couleur rouge incident au point I, l’angle d’incidence étant de 30° (mesuré au rapporteur). Rappelle la loi de Snell-Descartes pour la réfraction : Le graphe ci-contre représente les variations de l'indice de réfraction n du verre en fonction de la longueur d'onde λ de la lumière. * L'indice du verre est-il plus grand pour la lumière violette ou pour la lumière rouge ? justifie quantitativement ta réponse. On rappelle que l’indice de réfraction n d’un milieu transparent est défini par la relation : n = La célérité de la lumière dans le verre a-t-elle la même valeur pour la lumière rouge et la lumière violette ? Sinon, quelle est la couleur la plus rapide ? justifie. L’indice de réfraction de l’air a pour valeur n = 1,00 quelle que soit la couleur de l’onde. Détermine l’angle de réfraction pour le rayon rouge réfracté, puis représente ce rayon réfracté sur le schéma ci-dessus en utilisant le rapporteur. Représente également, sur le schéma précédent, la marche d’un rayon lumineux de couleur bleue traversant le prisme, après avoir calculé l’angle de réfraction correspondant. réseau On remplace maintenant le prisme placé devant le projecteur par un réseau, c’est-à-dire une plaque en verre sur laquelle ont été gravés plusieurs milliers de traits parallèles et équidistants. Dessine ce que tu observes sur l’écran. Quelles différences y a-t-il entre les spectres donnés par un réseau ou par un prisme ? Spectre d’émission d’une lampe à incandescence : Document 1: L'incandescence est un phénomène physique qui conduit les objets très chauds à émettre une lumière visible. Tous les objets émettent un rayonnement thermique, c'est-à-dire une lumière liée à leur température, mais les objets que nous utilisons sont en général à une température trop basse pour que cette lumière soit visible : ils émettent de la lumière infrarouge. Mais si leur température augmente, la longueur d’onde de la lumière émise va diminuer et passer dans le domaine visible : rouge, puis orange, puis blanc. C'est ce qui fait briller la lave des volcans, les éclairs, et le filament de certaines lampes dont la température dépasse 3000°C ! Document 2: L'effet Joule est une propriété de l'électricité très utilisée pour chauffer : lorsqu'un courant électrique passe dans un fil conducteur, celui-ci s'échauffe et libère de la chaleur. Décris le principe de fonctionnement d'une lampe à incandescence : Comment peut-on modifier la température du filament d'une lampe à incandescence ? spectres d’une lampe à incandescence obtenus pour des températures du filament croissantes: θ en °C Pourquoi dit-on que ces spectres sont continus ? Ecris sous les spectres le nom des 7 couleurs de l’arc en ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. Rajoute un axe horizontal sur lequel tu indiqueras les longueurs d’onde correspondant aux limites du spectre visible (400 et 800nm), ainsi que les valeurs intermédiaires 500, 600 et 700nm. 1nm = 10–9m Indique également le domaine des I.R. et des U.V. de part et d’autre du spectre visible ci-dessus. Comment évolue le spectre d’émission de la lampe à incandescence lorsque le filament devient de moins en moins chaud ? Les spectres de raies d'émission : On fabrique un SPECTROSCOPE à l’aide d’un tube en plastique, une fente et un réseau et on l’utilise pour observer le spectre de différentes sources de lumière. Fais le schéma d'un spectroscope: Décris le spectre obtenu lorsque tu observes à travers le spectroscope un tube fluorescent ou « tube néon » situé au plafond et qui éclaire la salle (mélange de gaz excités par une étincelle jaillissant entre deux électrodes) : Compare ce spectre à celui d’une lampe à incandescence. Pourquoi parle-t-on ici de « spectre de raies » ? Voici le spectre d'émission du gaz dihydrogène. Tous les gaz émettent-ils les mêmes couleurs lorsqu’ils sont excités ? Pourquoi compare-t-on parfois les spectres de raies d’émission d’un gaz à un code barre ? Les spectres de raies d’absorption : On place à nouveau le prisme devant le projecteur de façon à obtenir le spectre continu de la lampe à incandescence sur l’écran. On interpose sur le trajet de la lumière une cuve de verre contenant une solution de permanganate de potassium de couleur violette. Décris le spectre observé… Pourquoi parle-t-on de spectre d’absorption ? Fais ci-dessous le schéma d’un montage qui permettrait d’observer le spectre d’absorption d’un gaz contenu dans une ampoule (voir animations page 6 sur le site www.physiquepovo.com) Compare le spectre d’émission d’une lampe à vapeur d’hydrogène, avec le spectre d’absorption de ce gaz et conclue. Observons le spectre du soleil : Questions : ► Combien de temps met la lumière émise au cœur du soleil pour parvenir jusqu’à nous ? ► Comment s’appelle la partie visible du soleil qui se comporte comme un filament de lampe à incandescence et émet un spectre continu ? ► Pour quelle couleur l’intensité lumineuse émise par le soleil est-elle maximale ? Quelle est approximativement la longueur d’onde max correspondante ? ► Cette longueur d'onde λmax est reliée à la température θ de la photosphère du soleil par la relation: dans laquelle λmax doit être exprimée en m et θ en °C. On rappelle que 1nm = 10–9m. Vérifier que la température donnée dans le document ci-dessus est en accord avec cette relation. ► A quoi correspondent les raies noires observées dans le spectre du soleil ? Quelles informations peut-on déduire de leurs positions dans ce spectre ? ► Quelles informations concernant la composition de la chromosphère 6 de Deneb peut-on tirer des spectres ci-contre ? Justifier la réponse.

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