Cours de physique ,
classe de 2nde
Table des matières
I Exploration de l’espace 3
1 De l’atome aux galaxies 4
1.1 La physique : définition . . . 4
1.2 Présentation de l’univers . . . 4
1.3 L’écriture des longueurs . . . 5
1.3.1 Les puissances de 10 . . . 5
1.3.2 Les différentes unités . . . 6
1.3.3 L’écriture scientifique . . . 6
1.3.4 L’ordre de grandeur . . . 6
1.3.5 bilan . . . 6
1.4 La mesure des longueurs . . . 7
1.4.1 Mesures directes et indirectes . . . 7
1.4.2 Mesure à l’échelle humaine . . . 7
1.4.3 Mesure de petites distances . . . 7
1.4.4 Mesure de grandes distances . . . 7
1.5 Travaux pratiques . . . 8
1.5.1 TP 1 : la parallaxe . . . 8
1.5.2 TP 2 : mesure du diamètre d’un cheveu . . . 9
1.5.3 TP 3 : le sonar . . . 10
2 Messages de la lumière 12 2.1 Quelques propriétés de la lumière . . . 12
2.1.1 Rappels . . . 12
2.1.2 La longueur d’onde . . . 12
2.2 Voir loin c’est voir dans le passé . . . 13
2.2.1 L’année lumière . . . 13
2.2.2 Voir dans le passé . . . 13
2.3 Un système dispersif : le prisme . . . 14
2.3.1 L’indice de réfraction . . . 14
2.3.2 les lois de Snell-Descartes . . . 14
2.3.3 Le prisme . . . 14
2.4 Les spectres . . . 15
2.4.1 Les spectres d’émission . . . 15
2.4.2 Les spectres d’absorption . . . 15
2.5 Application à l’astrophysique : la composition du Soleil . . . 15
2.5.1 Le principe . . . 15
2.5.2 Le spectre du Soleil . . . 15
1
2.6 Travaux pratiques . . . 16
2.6.1 TP 9 : Les lois de la réflexion et de la diffraction . . . 16
2.6.2 TP 10 : Les spectres. . . 18
2.6.3 TP 11 : analyse du spectre du soleil . . . 20
II L’univers en mouvement et le temps 21
3 Mouvements et forces 22 3.1 La relativité du mouvement . . . 233.1.1 Introduction . . . 23
3.1.2 Quelques définitions . . . 24
Première partie
Exploration de l’espace
3
Chapitre 1
De l’atome aux galaxies
1.1 La physique : définition
Activité 1 (sous forme de discussion): Qu’est ce que la physique ?
1.2 Présentation de l’univers
Activité 2 (sous forme de discussion):
1. Quels sont les objets étudiés par la physique ? 2. Les classer selon leurs tailles.
4
Du noyau atomique aux galaxies, les longueurs vont de 10−15m à 1025m. De plus, on note que la matière est essentiellement constituée de vide, i.e. la matière ne représente qu’une petite part de l’espace. Cela se vérifie aussi bien à l’échelle du système solaire (entre la planètes) qu’à l’échelle atomique (entre le noyau et les électrons.
Lors de la description des objets de notre environnement aux grandes et aux petites échelles, on se trouve confronté à 2 problèmes :
– l’expression, ou l’écriture, de ces longueurs – la mesure de ces longueurs
1.3 L’écriture des longueurs
La physique nécessite que l’on sache écrire et comparer des longueurs très différentes. Pour cela , on utilise les unités du système légal (le mètre et ses multiples) et les puissances de 10. Les grandeurs sont écrites en utilisant l’écriture scientifique, et on compare deux longueurs à l’aide des ordres de grandeur.
1.3.1 Les puissances de 10
Une puissance de 10, est un 1 suivi ou précédé de beaucoup de zéros. On a : 10n= 1 0...00
| {z }
n z´eros
et 10−n = 0,0...00
| {z }
n z´eros
1
Pour multiplier et diviser des puissances de 10, on utilise les règles suivantes : 10n.10m= 10n+m et 10n
10m = 10n−m
Compléter le tableau suivant :
103.108 101038
103.10−8 1010−83
10−3.108 1010−38
10−3.10−8 1010−3−8
1.3.2 Les différentes unités
10−15 10−14 10−13 10−12 10−11 10−10 10−9 10−8 10−7 10−6
femto pico nano micro
f m pm nm µm
10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100= 1 101 102 103
micro milli centi déci mètre déca hecto kilo
µm mm cm dm m dam hm km
103 104 105 106 107 108 109
kilo méga giga
km M m Gm
Effectuer les conversions suivantes :
17,5mm → µm 345.10−6m → µm
569km → dm 0,021.104cm → dam
0,00124hm → m 0,005.10−6µm → f m
3,4Gm → M m 1hm → m
175.105µm → pm 656789mm → km
1.3.3 L’écriture scientifique
On écrit un nombre sous la forme a.10n avec1< a <10. Écrire en notation scientifique les nombres suivants :
17,5 → 345.10−6 →
569 → 0,021.104 →
0,00124 → 0,005.10−6 →
3,4 → 1 →
175.105 → 656789 →
1.3.4 L’ordre de grandeur
L’ordre de grandeur est la puissance de 10 la plus proche. Pour le trouver, on écrit le nombre en écriture scientifique a.10n avec 1 < a < 10. Si a < 5, alors l’ordre de grandeur est 10n, si a >5l’ordre de grandeur est10n+1. Trouver l’ordre de grandeur de chacune de ces valeurs (on suppose qu’elles sont toutes initialement déjà en mètres) :
17,5m → 345.10−6m →
569m → 0,021.104m →
0,00124m → 0,005.10−6m →
3,4m → 1m →
175.105m → 656789m →
1.3.5 bilan
Maintenant, exprimer l’ordre de grandeur en mètres de chacune de ces longueurs :
17,5km → 345.10−6M m →
569µm → 0,021.104cm →
0,00124nm → 0,005.10−6dm →
3,4Gm → 1dam →
175.105mm → 656789f m →
1.4 La mesure des longueurs
1.4.1 Mesures directes et indirectes
Pour mesurer une longueur, on peut :
– soit la mesurer directement à l’aide d’un instrument approprié (règles, etc. . . voir TP la mesure en physique)
– soit la mesurer indirectement si l’objet se trouve trop loin, ou est trop petit ou trop grand pour être mesurer directement.
Dans la mesure indirecte on mesure une autre longueur, un angle, ou une durée et on remonte à la longueur désirée par le calcul.
1.4.2 Mesure à l’échelle humaine
La parallaxe
On utilise le théorème de THALES (Cf TP 1).
Le sonar
On mesure l’intervalle de tempstmis par un signal de vitessevpour effectuer un aller-retour jusqu’à un objet. On a alors la distancedà l’objet qui est telle qued=v×t. (Cf TP 3)
1.4.3 Mesure de petites distances
Le microscope
Les microscopes optiques utilisent les propriétés des lentilles (loupes) pour donner une image agrandie d’un objet. La microscopie a été développée fin XVIIème siècle par les biologistes pour observer les petites parties du corps humain. Les microscopes permettent d’observer des objets de la taille du micromètre. Il existe maintenant des microscopes à force atomique et des microscopes électroniques qui permettent de voir des objets beaucoup plus petits ( < nanomètre).
Exemple de méthodes indirectes :
– l’expérience de Franklin : mesure de la taille d’une molécule (en DM).
– mesure de la taille d’un cheveu par diffraction (TP 2).
1.4.4 Mesure de grandes distances
Il n’existe que des méthodes indirectes, par exemple : – mesure distance terre-lune. (TP 3 Sonar)
– mesure du diamètre de la terre par la méthode d’Eratosthène (en exercice)
1.5 Travaux pratiques
1.5.1 TP 1 : la parallaxe
La parallaxe
TP de PHYSIQUE
Objectifs du TP : -mesurer une longueur de manière indirecte.
-exprimer une mesure avec les bonnes unités et le nombre de chiffres si- gnificatifs adéquat.
Matériel :
- Papier, carton et épingles.
EXPERIENCE
☺ Comprendre le principe de la méthode de la parallaxe Parallaxe entre les deux yeux
On souhaite déterminer la distance H séparant un observateur au bord de la paillasse d’un point situé sur le robinet.
☺ Principe :
Placer une règle horizontalement à une distance h de vos yeux.
Fermer l’œil droit et viser avec l’œil gauche un point précis de l’objet en l’alignant avec le zéro de la règle.
Sans bouger la tête, ni la règle, viser le même point avec l’œil droit et repérer la graduation d de la règle qui se trouve dans l’alignement.
Mesurer, le plus précisément possible, la distance D entre les deux pupilles.
☺ Exploitation :
Résumer la situation sur une figure géométrique en faisant apparaître les dis- tances H, h, D et d.
En déduire la distance H en utilisant le théorème de Thalès.
Faire une mesure à la règle., soit H’ la distance mesurée. Comparer H et H’.
EXPERIENCE
Vous disposez d’un carton et d’épingles.
Mesurez la distance D entre le bord de votre table et le robinet de la table en face en utilisant la méthode de la parallaxe, à l’aide du carton et des épingles.
Expliquez le protocole et schématisez la situation sur votre feuille.
D
1.5.2 TP 2 : mesure du diamètre d’un cheveu
2nde TP 2
Mesure du diamètre d'un cheveu par diffraction
L’épaisseur d’un cheveu est une grandeur trop petite pour être mesurée directement avec un appareil de mesure simple, on utilise donc des mesures indirectes.
I. Expérience 1 : Mesure par «
agrandissement » à l'aide du projecteur 1. Proposer un protocole expérimental pour mesurer l’épaisseur d’un cheveu.
2. Faire un schéma illustrant le principe de la mesure.
3. Calculer l’épaisseur du cheveu utilisé.
II. Expérience 2 : Mesure par comparaison
:
• On peut déterminer une grandeur que l’on ne peut pas obtenir de façon directe en la comparant à des grandeurs connues : on utilise ce que l’on appelle une courbe d’étalonnage.
• On utilise ici une propriété de la lumière (ici, celle produite par un LASER): la DIFFRACTION
ATTENTION : Il ne faut jamais regarder directement la sortie d’un laser. Le faisceau laser est très intense et s’il pénètre dans l’œil, il peut endommager gravement la rétine et conduire à la cécité.
II. 1. Étude du phénomène de diffraction :
Lorsque la lumière rencontre un obstacle de très petite dimension, la lumière ne se propage plus en ligne droite, on dit que la lumière est diffractée par l’obstacle. Le phénomène de diffraction intervient lorsqu’on intercale sur le trajet de la lumière une ouverture petite ou encore un obstacle.
Expérience : On éclaire un écran avec un laser. On interpose des fils verticaux de largeurs différentes sur le trajet du faisceau laser.
Questions :
1. Qu’observeton lorsque l’on réduit la largeur de l’obstacle ? 2. Représenter la figure de diffraction observée sur l’écran.
3. On remplace le fil par une fente. Que constateton sur l’écran ? II. 2. Utilisation du phénomène pour la mesure du diamètre du cheveu :
1. Placer la diapositive dans laquelle est inséré un fil calibré de diamètre 40m dans son support, ainsi que l'écran blanc.
2. Disposer l'ensemble comme cicontre.
3. Allumer le laser et dessiner l'allure de la figure obtenue sur l'écran.
4. Mesurer la largeur d de la tache centrale et porter la valeur dans un tableau comme cidessous.
5. Faire le même travail successivement pour des fils de diamètres différents:
Épaisseur e du fil (en m ) 40 60 80 120
Dimension d de la tache centrale (en mm)
6. Tracer la courbe d = f(e) sur une feuille de papier millimétré (d en ordonnés, e en abscisses).
La courbe obtenue est une courbe d’étalonnage.
7. Fixer un cheveu tendu sur un cadre de diapositive. Interposer ce cheveu sur le trajet du faisceau laser.
8. Mesurer la largeur d de la tache centrale.
9. Utiliser la courbe d'étalonnage pour déterminer l’épaisseur du cheveu utilisé.
15 cm
ecran laser
diapo
1,00 m cm Laser
1.5.3 TP 3 : le sonar
2nde TP 3
TP Mesure de distance Principe du sonar
Pour mesurer certaines distances il est parfois plus pratique d'utiliser la mesure d'un temps. On pense par exemple à la distance Terre-Lune qu'il paraît difficile de mesurer à l'aide d'une règle. Si on connaît la vitesse de propagation d'un signal et que l'on connaît le temps mis par ce signal pour aller jusqu'à un objet, on peut alors déterminer la distance nous séparant de cet objet.
1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l'air
Réaliser un schéma du montage et repérer les éléments suivants :
� émetteur ultra-sons
� récepteur ultra-sons
� oscilloscope
� générateur
Indiquer sur le schéma la distance d entre le récepteur et l'émetteur.
L'émetteur envoie une salve d'ultrasons qui est reçue par le récepteur situé à une distance d . 1. Placer le récepteur à une distance de d�50cm de l'émetteur.
2. Allumer le générateur ; observer et dessiner l'allure du signal obtenu sur l'écran de l’oscilloscope. Il s’agit du signal émis par l'émetteur
3. Appuyer sur la touche "DUAL" de l'oscilloscope: la deuxième courbe apparaît (il s’agit du signal reçu par le récepteur). Dessiner les deux signaux (émis et reçu), ne pas oublier la légende.
4. Comment peut-on expliquer le décalage entre le début des deux signaux ?
5. Rappeler la formule de la vitesse avec v la vitesse des ultrasons, d la distance séparant l'émetteur du récepteur et �t le temps mis par les ultrasons pour parcourir d . 6. Reproduire et compléter sur votre compte rendu le tableau suivant :
Distance parcourue par les ultrasons L ( m ) 0,15 0,25 0,35 Décalage horizontal en divisions.
Calibre (en ms/div) Durée du décalage ( ms ) Vitesse de déplacement des ultrasons (m.s-1)
Vitesse moyenne
Vous préciserez bien sur votre compte rendu la valeur moyenne obtenue à l'aide des trois expériences pour la vitesse des ultrasons.
2. Détermination d'une distance : le sonar
Lorsque l'on veut mesurer la distance qui nous sépare d'un objet lointain, on ne peut pas déplacer le récepteur à chaque fois au niveau de l'objet. L'émetteur et le récepteur sont par conséquent situés du même côté et on utilise l'écho renvoyé par l'objet.
1. Expliquez par un schéma le trajet effectué par le son.
2. Mettez un livre à l'extrémité de votre table et régler l'ensemble de manière à observer à l'oscilloscope les deux signaux (le signal émis et l'écho reçu).
3. Mesurer le décalage de temps �t entre les deux signaux.
4. A quoi correspond �t cette fois.
5. Que doit-on modifier dans la formule précédente si on veut obtenir la distance d entre l'émetteur et le livre ?
6. En déduire la distance d .
7. Vérifiez votre mesure à l'aide d'une règle. Commenter.
3. S'il vous reste du temps ...
Depuis 1969 plusieurs réflecteurs à coin au quartz ont été posés sur la Lune (5 à ce jour, 3 par les Américains et 2 par les Russes) et on les utilise régulièrement depuis cette époque afin de mesurer la distance Terre - Lune. Ils ont été posés de 300 à 500 pieds du LEM afin de réduire les possibilités de poussière soulevés par le départ du dernier étage du module lunaire. La précision des mesures augmente de manière continue avec les progrès de la science. Les premières mesures prises après la deuxième guerre mondiale à l'aide du radar avaient une précision de l'ordre de ±1 km. Plus tard avec l'arrivée des premiers lasers, la précision s'était améliorée et s'approchait de
±15 cm. Aujourd'hui elle doit avoir été réduite à ±1 mm
� Sachant qu'une impulsion laser nous revient après 2,56s et que la vitesse de la lumière est de 300 000km.s�1 , quelle est la distance de la Terre à le Lune ?
Réflecteur au quartz laissé par la mission Apollo 14 en 1971
objet d
Émetteur
Récepteur
oscilloscope
Chapitre 2
Messages de la lumière
Nous percevons le monde qui nous entoure notamment grâce à la lumière. Une analyse plus poussée va nous permettre d’obtenir encore plus de renseignements comme la distance, la tem- pérature ou la composition chimique des corps célestes.
2.1 Quelques propriétés de la lumière
2.1.1 Rappels
la lumière a déjà été étudiée en collège. On rappelle brièvement que :
– La lumière est émise par une source lumineuse primaire : soleil, ampoule, feu, etc . . . – Nous voyons les objets grâce à la lumière qu’ils réfléchissent, on parle de source secondaire.
– La lumière blanche est constituée d’une multitude de couleurs, c’est une lumière polychro- matique.
– La vitesse de la lumièrec= 300000km.s−1est la plus grande vitesse possible dans l’Univers.
– Dans un milieu homogène et transparent la lumière se propage en ligne droite. On parle aussi de propagation rectiligne.
2.1.2 La longueur d’onde
Une description précise de la lumière fait aujourd’hui appel à la Mécanique Quantique, évi- demment ici hors programme. Selon les cas, au lycée on considère la lumière soit comme une onde, soit comme un flux de particules (les photons).
En seconde, nous considérons que la lumière est un rayonnement, c’est-à-dire un ensemble de radiations. Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d’onde λ. Si il n’y a qu’une radiation, le rayonnement est monochromatique, sinon il est polychromatique.
12
2.2 Voir loin c’est voir dans le passé
2.2.1 L’année lumière
Puisqu’elles sont gigantesques, nous utilisons la distance parcourue en un an par la lumière pour parler des distances dans l’Univers. Cette distance vaut environ :
1 année lumière=1 a.l.'1013km Exercice :
Retrouver la valeur précise d’une année lumière.
2.2.2 Voir dans le passé
Voir loin c'est voir dans le passé
« Nous savons aujourd'hui que, comme le son, la lumière se propage à une vitesse bien déterminée [..] d’environ trois cent mille kilomètres par seconde, un million de fois plus vite que le son dans l'air. Il faut bien reconnaître que, par rapport aux dimensions dont nous parlons maintenant, cette vitesse est plutôt faible. A l'échelle astronomique, la lumière progresse à pas de tortue. Les nouvelles qu'elle nous apporte ne sont plus fraîches du tout !
Pour nous, c'est plutôt un avantage. Nous avons trouvé la machine à remonter le temps ! En regardant « loin », nous regardons « tôt ». La nébuleuse d'Orion nous apparaît telle qu’elle était à la fin de l’Empire romain, et la galaxie d’Andromède telle qu’elle était au moment de l'apparition des premiers hommes, il y a deux millions d'années. A l'inverse, d'hypothétiques habitants d’Andromède, munis de puissants télescopes, pourraient voir aujourd'hui l'éveil de l'humanité sur notre planète... »
Patience dans l'azur, Hubert Reeves (Éditions du Seuil).
1. Écrire la vitesse de la lumière avec un chiffre significatif et en déduire la vitesse du son
2. Déterminer à quelle distance de la Terre se trouve la nébuleuse d’Orion en km. (On date la fin de l’Empire romain à l’année 476)
3. Si une étoile explosait aujourd’hui dans cette nébuleuse, à quelle date en serions nous informés ? 4. A quelle distance de la terre se trouve la galaxie d’Andromède en année lumière ?
5. Expliquer la phrase « … d’hypothétiques habitants d’Andromède[…] pourraient voir l’éveil de l’humanité sur notre planète. »
L’étoile la plus proche du Soleil est Proxima du Centaure. Elle est située à environ 4 années lumières de notre système solaire, sa lumière met donc 4 années à nous parvenir. Ainsi lorsque nours regardons Proxima du Centaure dans un téléscope nous la voyons telle qu’elle était il y a 4 ans. Et plus nous regardons loin, plus nous regardons dans le passé.La limite de ce qu’il est possible d’observer aujourd’hui s’appelle l’horizon cosmologique.
2.3 Un système dispersif : le prisme
Le prisme va nous permettre d’analyser la lumière. Pour comprendre comment le prisme agit sur la lumière, il faut d’abord définir l’indice de réfraction puis étudier les lois de Snell-Descartes.
2.3.1 L’indice de réfraction
Dans un milieu transparent la lumière à une vitesse inférieure à sa vitesse c dans le vide. On définit alors un milieu transparent par son indice de réfractionntel que :
n= c v
n indice de r´ef raction sans unit´e
c vitesse de la lumi`ere dans le vide en m.s−1 v vitesse de la lumi`ere dans ce milieu en m.s−1
Par définition, l’indice de réfration du vide est donc n= 1. On prend également l’indice de réfraction de l’air égal à 1 pour l’ensemble des radiations.
2.3.2 les lois de Snell-Descartes
⇒C.f. TP 9
Lors de la rencontre d’un obstacle, une partie de la lumière est réfléchie. L’angle réfléchi est égal à l’angle d’incidence.
⇒schéma
Lors de la traversée de la surface de séparation entre deux milieux transparents d’indicen1et n2, la lumière change de direction, elle se réfracte. L’angle d’incidencei1 et l’angle de réfraction i2 sont tels que :
⇒schéma
n1 sin(i1) =n2 sin(i2)
⇒Exercices d’application
2.3.3 Le prisme
Un prisme est un bloc de verre à 2 faces triangulaires. L’indice de réfraction de ce verre varie en fonction de la longueur d’onde. On écrit n = f(λ). Cela signifie qu’une radiation bleue ne va pas être déviée comme une radiation rouge. Le prisme va dévier différemment les radiations monochromatiques qui composent la lumière blanche. On dit qu’il disperse la lumière blanche.
2.4 Les spectres
L’essentiel du cours est traité dans le TP 10 sur les spectres.
2.4.1 Les spectres d’émission
– Lorsqu’un corps est chauffé, il émet de la lumière.
– Si il s’agit d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz sous haute pression le spectre de cette lumière est continu. Plus la température du corps est élevée, plus le spectre est riche en violet.
– Si il s’agit d’un gaz sous basse pression, on obtient un spectre de raies d’émission. Le spectre est caractéristique des entités chimiques qui composent le gaz.
2.4.2 Les spectres d’absorption
Si on fait le spectre d’une lumière blanche qui a traversé un gaz chauffé sous faible pression on observe des trais noirs dans le spectre. Des radiations ont été absorbées par les éléments chimiques du gaz et ces radiations correspondent à celles que le gaz aurait émis. On parle d’un spectre de raies d’absorption, et celui ci est caractéristique d’une espèce chimique.
Visualisation de l’animation flash : spectres.swf
2.5 Application à l’astrophysique : la composition du Soleil
2.5.1 Le principe
On réalise le spectre de la lumière venant d’une étoile afin de déterminer sa composition chimique et sa température.
2.5.2 Le spectre du Soleil
Le soleil est composé de plusieurs couches. Dans la chromosphère les conditions sont réunies pour qu’un phénomène d’absorption ait lieu. Sur Terre on va décomposer la lumière du Soleil afin de déterminer les éléments chimiques présents dans le Soleil.
⇒C.f. TP 11
2.6 Travaux pratiques
2.6.1 TP 9 : Les lois de la réflexion et de la diffraction
�tude de la r´eflexion et de la r´efraction TP Physique
Lorsqu’un rayon de lumi`ere rencontre un miroir, il est r´efl´echi. D’autre part, lorsqu’un rayon de lumi`ere change de milieu, c’est-`a-dire passe par exemple de l’air `a l’eau, sa direction de propagation est modifi´ee. On dit que le rayon est r´efract´e. Ces deux ph´enom`enes seront pour nous l’occasion d’aborder une d´emarche de mod´elisation en Sciences Physiques.
1 La r´eflexion 1�1 Dispositif exp´erimental
Fig�1 – montage exp´erimental
1�2 Mesures exp´erimentales
Avec le faisceau, viser le miroir, en dirigeant le faisceau perpendiculairement `a la face en son cen- tre et v´erifier que l’on observe pas de d´eviation dans ce cas. Dans le cas contraire r´egler le z´ero du montage.
Faites ensuite varier l’angle d’incidenceide 5˚en 5˚puis mesurer les valeurs correspondantes de l’angle de r´eflexionr`a la sortie du cylindre. R´ealiser un tableau.
angle incidenti 0˚ 5˚ . . . angle r´efl´echir . . . Travail �
Tracer un graphique et v´erifier que la loi de la r´eflexioni=rest v´erifi´ee.
2 La r´efraction 2�1 Dispositif exp´erimental
FIG. 2 - montage exp´erimental FIG. 3 - sch´ematisation 1
On d´efinit un certain nombre de grandeurs qui vont nous permettre de r´ealiser une ´etude du probl`eme :
–�e dioptre, qui est la surface plane s´eparant l’air et le plexyglas
–la normale, qui est la droite perpendiculaire `a la surface de s´eparation entre les deux milieux –l’angle d’incidence, qui est l’angle entre la rayon incident �i.e. le rayon entrant) et la normale –l’angle de r´efraction, qui est l’angle entre le rayon r´efract´e �i.e. le rayon sortant) et la normale Travail �
Identifier sur le sch´ema, puis sur le montage, ces trois grandeurs.
2�2 Mesures exp´erimentales
Faites varier l’angle d’incidence de 5˚ en 5˚ puis mesurer les valeurs correspondantes de l’angle de r´efraction `a la sortie du cylindre. R´ealiser un tableau.
angle incidenti� 0˚ 5˚ . . . angle r´efract´ei2 . . .
2�3 Sur les traces de K´epler
Johannes K´epler �1571-1630) Avec des mesures semblables aux vˆotres, le physicien allemand K´epler juge que l’angle de refraction est proportionnel `a l’angle d’incidence si les angles ne sont pas trop grands.
1. Tracer la courbei�=f�i2)
2. l’angle incident et l’angle r´efract´e sont-ils proportionnels ? 3. Sur quel intervalle la loi de K´epler ,i�=n�i2semble-t-elle
v´erifi´ee ?
4.nest l’indice de r´efraction du milieu, calculezn.
5. A l’aide du tableau suivant, d´eduire le mat´eriau utilis´e pour fabriquer le demi-cylindre :
Mat´eriau Verre Cristal Plexiglas Diamant
n 1,5 1,6 1,4 2,4
2�4 La loi de Descartes
Ren´e Descartes �1560-1650) Le physicien et philosophe Ren´e Descartes chercha une loi qui soit valable quelque soit l’angle incidenti�. Cette relation fait intervenir les sinus.
1. Tracer la courbesin�i�) =f�sin�i2)).
2.sin�i�) etsin�i2) sont-ils proportionnels ?
3. Quelle relation, avec la valeur de n d´etermin´ee pr´ec´edemment, existe-til entresin�i�) etsin�i2), :
�a)sin�i�)�sin�i2) =n
�b)sin�i�) =n�sin�i2)
�c)sin�i2) =n�sin�i�)
Conclusion � � �
2
2.6.2 TP 10 : Les spectres.
Seconde TP Physique n°10 Eri
LES SPECTRES
Objectifs: Observer différents spectres d'émission et d'absorption.
• Pour analyser une lumière il faut la décomposer à l'aide d'un système dispersif: prisme ou réseau.
POSTE 1: DISPERSION DE LA LUMIERE BLANCHE PAR UN PRISME Manipulations:
• Repérer les différents éléments du montage mais ne pas les déplacer.
• Placer le prisme sur le trajet de la lumière et le tourner sur lui-même jusqu'à pour obtenir sur un écran le spectre de la lumière blanche.
• Compléter le schéma en dessinant après le prisme les directions de la lumière la plus déviée et de la lumière la moins déviée.
• Dessiner sur le schéma le spectre obtenu.
Texte à compléter avec les mots: dispersif, violet (2 ××××), rouge (2 ××××) , bande, décomposer, spectre, polychromatique, continue, blanche.
• Un prisme permet de ……… la lumière ………. provenant d'une lampe à incandescence et d'en obtenir le ……….. : le prisme est un système …………..
• Le spectre de la lumière blanche est constitué d'une ……….. colorée ………….. s'étendant du …….. au
……….: c'est un spectre ……… continu.
• Le prisme dévie davantage le ………… que le …………...
POSTE 2 : DISPERSION DE LA LUMIERE BLANCHE PAR UN RESEAU – SPECTRE D'ABSORPTION • Un réseau est constitué d'une multitude de fentes parallèles et équidistantes.
• Placer le carton avec la fente sur le rétroprojecteur.
• Observer le réseau: positionner le réseau sur la lentille du rétroprojecteur de telle sorte que les traits du réseau soient parallèles à la fente (spectre horizontal).
• Reproduire sur le schéma les spectres de la lumière blanche.
• Positionner sur la moitié de la fente du carton un bécher rempli d'une solution bleue de sulfate de cuivre et observer. Faire de même avec la solution violette de permanganate de potassium.
Texte à compléter avec les mots: rouge, violet, d'absorption, bandes noires, coloré, bleu-vert, absorbe, blanche, non absorbées.
• Le spectre de la lumière qui a traversé une solution colorée présente des ……….. ….. sur un fond ………..: c'est un spectre
………..
• Le spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium présente une bande noire dans les couleurs ……… : la solution ……… donc ces couleurs.
• Une solution colorée absorbe une partie des couleurs de la lumière …………. La couleur de la solution résulte de la somme des couleurs ………...
• La couleur la plus déviée est le ………. et la moins déviée le
………….., contrairement au prisme.
rétroprojecteur
Carton avec fente réseau
Ecran (ou mur) lentille
Spectres de la lumière blanche
Spectre d'absorption d'une
solution de sulfate de cuivre Spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium
écran prisme
fente lampe
Lentille (f ' = 20 cm)
Spectre de la lumière blanche
Seconde TP Physique n°10 Eri POSTE 3 : SPECTRE D'EMISSION D'UN GAZ CHAUFFE – SPECTRE DE RAIES
• On dispose de deux lampes spectrales au mercure - cadmium (Hg – Cd:
couleur bleue clair) et au sodium (Na: couleur orange).
• Observer le spectroscope: boite noire. Repérer la fente et le réseau. On placera l'œil derrière le réseau. La fente est dirigée vers les lampes spectrales.
• Observer les spectres des deux lampes en utilisant le spectroscope .
• Dessiner l'allure des spectres visualisés.
Texte à compléter avec les mots: raies colorées, nanomètre, gaz, noir, identifier, caractéristiques, monochromatique, longueur d'onde, raies d'émission, 400 nm , rouge violet , 800 nm.
• Le spectre de la lumière émise par un …… à basse pression soumis à une décharge électrique est constitué de ….. ………….
sur un fond …….: c'est un spectre de ………...
• Les raies colorées sont ……….. du gaz et permettent de l'……….
• A chaque raie colorée correspond une radiation ……….
à laquelle est associée une ………. λ déterminée et exprimée en ……….
• Pour la lumière visible λ est comprise entre ……… dans le
……….. et ……….. dans le …………...
POSTE 4: SPECTRE D'EMISSION DES CORPS CHAUFFES • On modifie la température du filament de tungstène de la lampe à incandescence en faisant varier l'intensité du courant qui le traverse, avec un alternostat.
• Observer le spectre de la lumière blanche avec le spectroscope noir (voir description sur le poste 3), lorsque l'alternostat est en position maximale.
• Tourner le bouton de l'alternostat et observer les modifications sur le spectre.
• Dessiner l'allure du spectre dans chaque cas.
Texte à compléter avec les mots: bleu – violet , température, chaud, continu , riche, grande, couleur, blanche, violet au rouge, jaune au rouge, rouge-orange;
• Un corps ……….. émet de la lumière.
• Le spectre d'émission du corps chauffé est ………. et d'autant plus ………. en couleur ………… que la température du corps est ………….
• La ………….. de la lumière émise par le corps chauffé nous renseigne sur la ……… du corps.
• Lorsque la lumière émise est ………., le spectre présente toutes les couleurs du ……….
• Lorsque la lumière émise est ……….., le spectre présente les couleurs allant du ………..
oeil spectroscope
Lampe spectrale
réseau fente
Spectre de la lampe Na
Spectre de la lampe Hg - Cd
oeil spectroscope
Lampe de bureau
réseau fente
alternostat
Spectre lorsque la lampe brille peu
Spectre lorsque la lampe brille fortement
2.6.3 TP 11 : analyse du spectre du soleil
TP 2nde Identification d'entités chimiques dans l'atmosphère du soleil
1. OBJECTIFS
Déterminer les longueurs d'onde de certaines raies d'absorption dans une partie du spectre du Soleil.
Identifier les entités chimiques présentes dans la chromosphère, enveloppe gazeuse entourant le Soleil.
2. DOCUMENT
« Le spectre du Soleil est continu mais strié de nombreuses raies sombres d'absorption. Dès 1814, le physicien allemand Frauhofer remarque la présence de raies noires dans le spectre du Soleil. L'ensemble de ces raies constitue le spectre de Fraunhofer. Le rayonnement continu provient d'une couche superficielle, très chaude du Soleil : la photosphère. Ce rayonnement subit une absorption sélective par les éléments chimiques présents dans la chromosphère, enveloppe de gaz à très faible pression qui entoure le soleil.
L'étude du spectre du Soleil permet donc de connaître la composition de la couronne solaire. Kirchhoff mesure la longueur d'onde de plusieurs milliers de ces raies et montre qu'elles coïncident avec celles émises par diverses entités chimiques.. hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc, ... Il publie, en 1861, le premier atlas du système Solaire.»
Le document cicontre représente:
a) en noir et blanc, un extrait du spectre visible du Soleil. Les principales raies d'absorption (repérées par un numéro) sont représentées par un trait noir ; b) un extrait du spectre de raies d'émission de l'argon
obtenu avec le même spectroscope. Ces raies servent de référence de longueur d'onde.
3. EXPLOITATION DU DOCUMENT 3.1
Mesures
Étude du spectre de l'argon
Mesurer les distances L, en mm, entre la raie d'émission de 390 nm et les autres raies d'émission.
Longueur d'onde en nm
λ 390
distance L en
mm 0
Étude du spectre du Soleil
Mesurer les distances, en mm, entre la raie d'émission de 390 nm et les différentes raies d'absorption du spectre du Soleil. Réaliser un tableau contenant la distance de chacunes des 15 raies.
3.2 Questions
1) Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer?
2) Quel est l'intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff.
3) Tracer, sur papier millimétré, le graphique donnant en fonction de L pourλ les raies d'émission de l'argon.
4) En déduire, à l'aide de la courbe d'étalonnage, les longueurs d'onde des raies d'absorption du spectre du Soleil.
5) À partir des données figurant dans le tableau ciaprès (tab. 1), associer à chaque raie d'absorption l'entité chimique (ion ou atome) présente dans l'atmosphère du Soleil.
6) Montrer, par un schéma simple, la raison pour laquelle on n'obtient que le spectre d'absorption de la chromosphère, enveloppe de gaz entourant le Soleil.
Deuxième partie
L’univers en mouvement et le temps
21
Chapitre 3
Mouvements et forces
3.1 La relativité du mouvement
3.1.1 Introduction
La relativité du mouvement
Isaac est dans sa classe sur terre. Il peut converser avec son ami Albert, lui aussi dans sa classe, mais sur la lune.
A l’aide de téléphone par satellites et afin d’éclaircir certains problèmes, ils discutent de différentes choses à propos du mouvement. Voici un extrait de leur conversation :
«(Albert) -C’est marrant Isaac le tableau noir dans ta classe, il bouge.
(Isaac) -Non, non Albert, le tableau dans ma classe ne bouge pas….
(Albert) -Ah si Isaac, pour moi il bouge. Quel est ce mystère ? (Isaac) -Et si je lâche une balle ?
(Albert) -Elle bouge…
(Isaac) -Donc là, on est d’accord elle tombe en ligne droite.
(Albert) -Heu… à vrai dire non. Elle bouge, mais moi je la vois décrire un genre d’arc de cercle… »
Nous allons tenter de résoudre ce problème.
A propos du tableau qui est dans la classe d’Isaac:
1. Isaac voit-il le tableau bouger? Bouge-t-il pour Albert ? 2. L’un des deux a-t-il raison ou tort ?
3. Comment expliquer cette différence à propos du mouvement d’un objet?
4. Que faudrait-il faire pour qu’il n’y ait plus de confusion possible. Pouvez vous proposer une solution simple qui permette d’être certain du mouvement d’un objet.
5. Un objet peut-il être immobile de manière absolue, c’est-à-dire immobile pour n’importe quelle personne qui l’observerait ?
→ Essayez de rédiger une conclusion sur la description du mouvement.
A propos de la balle lâchée par Isaac :
6. Quel est le mouvement de la balle observé par Isaac ? 7. Quel est le mouvement de la balle observé par Albert ? 8. L’un des deux a-t-il raison ou tort ?
9. D’où provient cette différence entre les deux visions d’un même mouvement?
10. Un mouvement peut-il alors être décrit sans précaution, indifféremment de l’endroit où l’on se trouve ?
→ Essayez de rédiger une conclusion sur la description du mouvement.
Conclusion : Le mouvement d’un objet n’a de sens que « par rapport »à un autre objet pris comme corps de référence.
3.1.2 Quelques définitions
– Référentiel : un référentiel est composé de 3 axes et d’une origine par rapport à laquelle on étudie le mouvement. Il comporte également une horloge qui permet de mesurer le temps. Les 3 référentiels les plus courants sont le référentiel terrestre (mouvement d’un véhicule), le référentiel géocentrique (mouvement de la lune, d’un satellite) et le référentiel héliocentrique (mouvement des planètes).
– Trajectoire : ensemble des positions successives occupées par un corps au cours de son mouvement. Une trajectoire peut être rectiligne, courbe, circulaire...
– Vitesse : elle dépend du référentiel d’étude et on av=dt.
Lorsque l’on parle de mouvement, on parle de trajectoire et de vitesse. Le mouvement peut être accéléré, décéléré ou uniforme. On parle donc de mouvement rectiligne uniforme, circulaire accéléré, etc . . .
