1°S ACTIVITE EXPERIMENTALE : COULEUR DES CORPS CHAUDS : LOI DE WIEN
Capacités à maîtriser A B C D
S'APPROPRIER : extraire information
ANALYSER : proposer une démarche de résolution REALISER : suivre
Problématique : La constellation d’Orion
Choisir une nuit de fin d’automne au d’hiver sans Lune. Attendre que les yeux se soient habitués à l’obscurité pendantquelques minutes puis regarder à
mi-hauteur en direction du sud. - Repérer la constellation d’Orion.
- Observer plus attentivement les deux étoiles les plus brillantes :
Bételgeuse en haut à gauche, nous apparaît rougeâtre et Rigel en bas à droite est bleue.
De ces deux étoiles, laquelle est la plus chaude ? Comment se classe notre soleil?
Doc1 :Profil spectral de la lumière émise par
un corps noir à 4 températures différentes Doc2 : Profil spectral du soleil
Doc3 : Profil spectral de l’étoile Bételgeuse Doc4 : Profil spectral de l’étoile Rigel
Doc 5 : Informations
(1)Un corps noir est un corps dont le rayonnement ne dépend que de la température. Contrairement à ce que son nom suggère, un corps noir n’apparaît pas forcément noir : l’adjectif noir signifie que l’objet absorbe toutes les radiations lumineuses qu’il reçoit. En pratique, un tel objet matériel n’existe pas ; il modélise un cas idéal servant de référence pour les physiciens. L’atmosphère d’une étoile est assimilable à un corps noir.
(2) L’unité S.I. de la température est le Kelvin de symbole K : T (K) = (°C) + 273 (3) L’intensité lumineuse est donnée en unité arbitraire (u.a.)
(4) Sous multiples du mètre utilisés : Le micromètre (1µm = 10-6 m) ; L’Angstrom (1 A = 10-10 m)
Travail 1 :
1. Utiliser l'animation sur l'ENT. Lorsque la température d’une source chaude augmente, a. Comment évolue le spectre de la lumière qu’elle émet ?
b. Comment évolue sa couleur ?
c. Comment évolue son profil spectral ?
2. Pour vérifier expérimentalement les résultats des questions 1a et 1b, tu disposes du matériel suivant :
Un générateur de tension continue 12 V, un rhéostat (33 Ω), une lampe à incandescence, une fente, un prisme, un écran
a. Proposer un protocole.
b. Après accord du professeur, réaliser l’expérience.
c. Les résultats sont-ils en accord avec les réponses 1a et 1b ? Travail 2 : LA LOI DE WIEN :
La courbe représentative de l’évolution de l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde à température constante passe par un maximum, ce qui veut dire qu'un corps noir, bien qu'il rayonne dans toutes les longueurs d'onde, émet préférentiellement dans un domaine particulier. La longueur d'onde max qui correspond au maximum de rayonnement, est inversement proportionnelle à la température T en Kelvin.
1. En exploitant l'animation de l'ENT, écrire un protocole permettant de vérifier la loi de Wien. La représentation graphique sera tracée à l'aide du tableur de l'Atelier scientifique ESAO. 2. La loi de Wien s’écrit : λ max T = 2900 µm.K avec λ max en micromètre et T en kelvin.
Le modèle établi dans la question précédente suit-il cette loi ?
3. Utilise la loi de Wien pour déterminer la température de surface de Rigel, de Bételgeuse et du Soleil.
Travail 3 : les étoiles
Les étoiles sont classées selon leur température de surface. On parle de la classe spectrale d’une étoile. Il existe 7 classes spectrales qui sont, par ordre de température décroissante : O, B, A, F, G, K, M. Les anglo-saxons utilisent la petite phrase « Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss Me » pour se souvenir de l’ordre. Compléter le tableau ci-dessous.
Classe Température de surface (nm) Couleur de
l’étoile Exemple Nom Luminosité O 30 000 K bleue/violette rares B 20 000 K bleutée Rigel 55 000 A 10 000 K blanche Véga 50
F 8 000 K jaunâtre Etoile polaire 6
G 6000 K jaune Soleil 1
K 4 000 K jaune/orange Acturus 102
M 3 000 K rouge Antarès 104
Les longueurs d’ondes principalement émises correspondent-elles à la couleur de l’étoile ? Interpréter cela en utilisant le document 1.
Aide à la question
- Légender le schéma du montage
Rque : on peut aussi utiliser un réseau à 140 traits/mm à la place du prisme - Réaliser le montage
- Faire varier la résistance du circuit. Observer la modification de la couleur de la lampe et celle du spectre.
- Indiquer la marche des rayons lumineux sur le schéma.
- Préciser la couleur de la lampe et représenter les spectres ci-dessous.
- Faire une phrase de conclusion en utilisant les mots suivants : résistance, intensité du courant, température, spectre, couleurs, lumineux, filament.
Aide à la question
Sur le graphique du document 1 on a représenté l’intensité du rayonnement en fonction de la longueur d’onde pour différents corps noirs portées à haute température.
Trouver graphiquement la longueur d’onde max correspondant à l’intensité la plus élevée pour chaque température
Pour chaque température calculer le produit Tmax En déduire une relation entre T et max
3
Lampe à incandescence
(température faible) Spectre 1.a
Couleur de la lampe : ………… Lampe à incandescence
(température élevée) Spectre 1.b
Couleur de la lampe : ………… Géné-rateur 12 V Compléter le tableau T (K) max (m) max T (m.K) 4000 5000 6000 6500
