Y A-T-IL UNE RELATION ENTRE LA COULEUR D’UNE SOURCE CHAUDE ET SA TEMPERATURE ? Objectif :

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Première S

Ecole Alsacienne – Activité- TP – Première S Page 1

Nom : ………. Coéquipier : ……….

Y A-T-IL UNE RELATION

ENTRE LA COULEUR D’UNE SOURCE CHAUDE ET SA TEMPERATURE ?

Objectif : On sait qu’une source chaude émet une lumière polychromatique que l’on peut décomposer (lors d’une expérience de dispersion par un prisme ou un réseau) en un spectre continu. On se propose dans cette activité de chercher à savoir :

a) Si toutes les longueurs d’onde du spectre sont émises avec la même intensité b) S’il existe une relation entre la couleur de la source et sa température I Spectre d’une lampe à incandescence

A. Expérience

On branche une lampe à incandescence

recouverte d’un papier calque (25 W ; 12 V) aux bornes d’un générateur de tension réglable. On fait varier l’intensité qui traverse le filament de la lampe du maximum au minimum en observant simultanément la couleur de la lumière émise par le filament et l’allure du spectre à l’aide d’un spectroscope

Les observations sont faites collectivement avec un logiciel spécialement adapté permettant d’observer le spectre d’une source quelconque

B. Observations

On se propose de noter en fonction de la tension d’alimentation d’une part la couleur de la source , d’autre part l’allure du spectre correspondant.

Tension électrique Basse (5V) Moyenne (7V) Maximale (10-12V) Couleur du filament

Allure du spectre

Description du spectre observé :

………

C. Questions Répondez aux questions ci-dessous en justifiant Q1 : Plus la température de la source lumineuse est grande, plus le spectre s’enrichit …

… dans les radiations de petites longueurs d’onde

… dans les radiations de grandes longueurs d’onde

Q2 : A température élevée, la lumière émise par la source chaude est :

… rouge

… bleue

… blanche

T augmente

λ augmente

Violet vert jaune rouge

400 nm 800nm

cache noir

spectroscope

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Première S

Q3 : Interpréter cette situation.

Situation Interprétation possible

Une lampe de poche munie d’une pile neuve émet une lumière blanche et intense (le filament au tungstène de l’ampoule est chauffé à 2700 K ).

Si la pile est usée (le filament n’est chauffé qu’à 1500 K), la lumière émise est peu intense, elle devient orangée puis rouge.

Q4 : Couleur d’étoiles

Bételgeuse et Bellatrix sont deux étoiles appartenant à la constellation d’Orion qui est très facilement visible dans le ciel des nuits d’hiver

La température de surface de Bételgeuse est de 3500 K. Celle de Bellatrix est de 28000 K.

A priori, à ces températures, ces deux étoiles devraient apparaître blanches. Mais ce n’est pas cohérent avec l’observation puisque Bételgeuse est une étoile rouge et Bellatrix une étoile bleue..

On donne le spectre de ces deux étoiles :

a) Décrire le spectre de ces deux étoiles (similitudes, différences)

………

b) En quoi les spectres ci-dessus permettent-ils d’interpréter la couleur observée des deux étoiles ?

………

Bételgeuse

Bellatrix

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Première S

II Loi de Wien A. Description

Le graphe représentant l’intensité lumineuse émise en fonction de la longueur d’onde pour des corps de températures différentes.

Questions

a) Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité lumineuse

à 3500K max = …………. à 5000 K. max = ………….

b) De manière générale, que peut-on dire de la longueur d’onde ayant le maximum d’intensité lumineuse lorsque la température augmente ?

………

c) Un corps chaud émet-il toutes les radiations avec la même intensité ?

………

d) Tracer sur le graphe le domaine correspondant aux radiations visibles.

e) Ces nouvelles données doivent vous permettre de trouver une explication pour la couleur des étoiles.

Bételgeuse et Bellatrix

………

B. Relation entre T et λmax

On se propose dans la suite de rechercher s’il existe une relation entre la température de la source et λmax, la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission dans le spectre

Se connecter à : http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/planck/planck.htm Choisir Abscisse : longueur d’onde et remplir le tableau de résultats suivants :

T /K ²⁵⁰⁰ ³⁵⁰⁰ ⁴⁵⁰⁰ ⁵⁵⁰⁰ ⁶⁵⁰⁰ ⁷⁵⁰⁰ ⁸⁵⁰⁰ ⁹⁵⁰⁰ 10500 11500 12500 13500 14500 λmax /nm

Intensité lumineuse

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Première S

Questions

a) Pour quelles températures minimale et maximale, le maximum d’émission se trouve-t-il dans le domaine du visible

min = …………. miax= ………….

b) Comment évolue λmax quand la température T augmente .

………

c) Quelle(s) relation(s) peu(ven)t éventuellement correspondre à cette évolution ?

… λmax = A + B. T … λmax = A + B. T² … λmax = A/T

… λmax = A - B. T … λmax = A - B. T² λmax = A/T²

d) On se propose de valider la bonne relation par l’étude graphique qui permettra de valider la relation.

A l’aide d’un tableur, reporter les valeurs du tableau de résultats étudiés plus haut et faire l’étude graphique permettant d’une part de valider la relation entre λmax et T, d’autre part de déterminer les paramètres de la relation validée avec les unités normalisées. Joindre le graphe au compte rendu.

Nature de la relation : ………

Paramètre(s) de la relation : ………

C. Utilisation de la loi de Wien

Température de surface

Soleil : 5500K Bételgeuse : 3500 K. Bellatrix : 28000 K Corps humain : 37°C Questions

a) Calculer les valeurs de λmax pour les étoiles ci-dessus ou pour le corps humain

Soleil =………….. beterlgeuse =………….. Bellatrix =………….. corps humain =…………..

b) Conclure sur la couleur de ces étoiles et le domaine d’émission du corps humain. Est-ce conforme aux observations ?

………

Données A consulter :

Pour établir le graphe : http://jf.noblet.pagesperso-orange.fr/noir2/noir3.htm

http://media4.obspm.fr/public/FSU/temperature/rayonnement/corps-noir/spectre-corps-noir/SIMULER.html http://www.ostralo.net/3_animations/animations_phys_optique.htm => le rayonnement du corps noir

Un bon résumé de l’ensemble du TP : http://jf.noblet.pagesperso-orange.fr/phy.htm# => température des étoiles