TP 19 Les messages de la lumière Les messages de la lumière
Objectifs
Objectifs de la séance :de la séance :
- Étudier le spectre de la lumière blanche ;
- Réaliser, observer et représenter des spectres d'émission ; - Distinguer un spectre continu d’un spectre de raies ; - Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile.
En 1835, Auguste Comte, dans son cours de philosophie, cite " nous ne saurons jamais étudier, par aucun moyen la composition chimique des étoiles ". Pourtant aujourd’hui nous savons que le Soleil et les étoiles sont principalement constitués d’hydrogène et d’hélium. Nous savons également mesurer la température à la surface de ces astres sans jamais y être allé.
Comment fait-on pour mesurer la température
et déterminer la composition chimique d’un astre inaccessible ?
Notre seul moyen est d’utiliser la lumière qu’elles nous envoient et d’étudier leur spectre. La séance d’aujourd’hui présente différents types de spectres que l'on peut rencontrer. On étudiera plus tard comment utiliser ces spectres pour étudier les étoiles.
1. 1. La lumière blanche La lumière blanche
Spectre de la lumière blanche Protocole expérimental :
Vous disposez d’un banc optique qui comporte une lampe à incandescence suivie d’une fente dont on fait l’image sur un écran.
Sur le chemin du faisceau lumineux, intercaler un réseau de 530 traits par millimètre. Dessinez ce que vous observez sur l’écran ;
Remplacer le réseau par un prisme et dessinez ce que vous observez sur l’écran ;
Observer la lumière du Soleil (ne pas regarder directement le Soleil) avec le spectroscope à main.
Figure obtenue avec le réseau :
Figure obtenue avec le prisme :
Questions
Q1.
Q1. La lumière émise par la lampe à incandescence contient-elle toutes les couleurs de l’arc-en-ciel ?
Q2.Q2. Décrire en une phrase, le spectre de la lumière blanche (à partir de l’observation de la lampe et du Soleil).
Q3.Q3. Quelle est la couleur de la radiation la plus déviée par le prisme ? Q4.
Q4. Quelle est la couleur de la radiation la moins déviée par le prisme ? Q5.Q5. Quelle est l’action du prisme sur la lumière blanche ?
Spectre de différentes sources de lumière
Toutes les sources de lumière émettent-t-elle la même lumière ?
Protocole expérimental :
A l’aide d’un spectromètre branché sur l’ordinateur, réaliser le spectre d’un « Néon », d’une source LASER, d’une lampe fluocompacte, d’une lampe à LED et d’une lampe halogène.
Comparer les spectres de ces différentes sources.
Dessiner ci-dessous les spectres de ces différentes sources :
Spectre d’un « Néon » Spectre d’une source LASER
Spectre d’une lampe fluocompacte Spectre d’une lampe à LED
Spectre d’une lampe halogène Spectre d’une lampe à incandescence
Évolution du spectre avec la température
Y a-t-il un lien entre la lumière émise par un filament et sa température ?
Protocole expérimental :
Reprendre le montage précédent et :
Régler la lanterne au maximum d'intensité lumineuse à l'aide du curseur du rhéostat.
Régler le dispositif pour obtenir un spectre net sur l'écran. Dessiner le spectre.
A l'aide du curseur du rhéostat, baisser l'intensité lumineuse et noter l'effet produit sur le spectre.
Dessinez ce que vous observez à travers le spectroscope à main :
Minimum d’intensité Maximum d’intensité Questions
Q6.
Q6. À l’aide de vos connaissances, indiquer comment évolue la température du filament de l’ampoule lorsque l’intensité de courant qui le traverse augmente ?
Q7.Q7. Décrire, en une phrase, l’évolution du spectre (observé à travers le spectroscope) lorsque la température du filament augmente.
Q8.Q8. Lorsque la température du filament augmente, comment évoluent sa couleur et le spectre de la lumière qu’il émet ? Q9.Q9. Ce spectre est appelé spectre continu d’origine thermique. Expliquer pourquoi.
2. 2. La lumière émise par un gaz excité La lumière émise par un gaz excité
Expérience n°1 : spectre d’émission d’un tube au néon
A l’aide d’un spectroscope à main, observer le spectre d’émission d’un tube au néon (au plafond de la salle).
Représenter ce spectre :
Expérience n°2 : spectres d’émission d’une lampe à vapeur de mercure et d’une lampe à vapeur de sodium.
Une lampe à vapeur de mercure (respectivement de sodium) est un dispositif permettant de porter à haute température un gaz constitué d’atomes de mercure (respectivement de sodium).
A l’aide du spectroscope à main ou d’un dispositif adapté, observer puis dessiner les spectres démission d’une lampe à vapeur de mercure et d’une lampe à vapeur de sodium.
Lampe à vapeur de mercure Lampe à vapeur de sodium
Questions
Q10.
Q10. Quelle est la différence entre le spectre de la lumière émise par une lampe à décharge et celui de la lumière blanche ? Q11.Q11. Pourquoi qualifie-t-on le spectre de la lumière émise par une lampe à décharge de spectre de raies ?
Q12.Q12. Le spectre observé dépend-ils de la nature du gaz qui est soumis à des décharges électriques ? Justifiez votre réponse.
À chacune des raies du spectre est associé une radiation lumineuse caractérisée par une grandeur bien précise appelée
« longueur d’onde », allant de 400 nm (pour le violet) à 700 nm (pour le rouge).
Q13.
Q13. Sur le spectre du mercure, associer une raie à chacune des quatre longueurs d’onde suivantes : 436 nm, 579 nm, 405 nm et 546 nm.
Vous pouvez vous aidez de l’animation « Spectres d'émission des éléments chimiques ».
Q14.
Q14. En déduire pourquoi il est possible de caractériser un atome par son spectre d’émission.
3. 3. Conclusion Conclusion
Conclure sur la séance en incluant une définition d’un spectre continu d’émission, d’un spectre de raie d’émission et en proposant une réponse à la question posée en début d’activité.
CORRECTION CORRECTION
1.
1. La lumière blanche La lumière blanche
Spectre de la lumière blanche Spectre obtenu avec le réseau :
Spectre obtenu avec le prisme :
Q1. Oui, elle contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.Q1.
Q2. Le spectre de la lumière blanche est constitué d'une bande colorée continue s'étendant du violet au rouge : c'est un spectreQ2.
polychromatique continu.
Q3. C’est le violet.Q3.
Q4. C’est le rouge.Q4.
Q5.
Q5. Un prisme permet de décomposer la lumière blanche provenant d'une lampe à incandescence et d'en obtenir le spectre : le prisme est un système dispersif.
Évolution du spectre avec la température
Q6.
Q6. La température augmente quand l’intensité du courant électrique augmente.
Q7. Le spectre est plus lumineux et il s’enrichit en radiations violettes.Q7.
Q8. Lorsque la température du filament augmente, sa couleur évolue du rouge vers le jaune puis le blanc, tandis que le spectreQ8.
s’enrichit en violet.
Q9. Le spectre est continu car il contient toutes les couleurs du rouge au violet. Il est d’origine thermique car c’est le spectre de laQ9.
lumière émise par un corps chauffé.
2. 2. Les spectres d’émission d’un gaz excité Les spectres d’émission d’un gaz excité
Spectre d'une lampe à vapeur de mercure
Spectre d'une lampe à vapeur de sodium
Q10. La lumière émise par une lampe à décharge a un spectre formé de raies distinctes (c’est un spectre de raies d’émission),Q10.
alors que celui de la lumière blanche est continu.
Q11.
Q11. On les qualifie de spectre de raies car on observe des raies verticales de différentes couleurs.
Q12.
Q12. Oui, le spectre observé dépend de la nature du gaz car les raies des spectres de la lampe au sodium et de la lampe au mercure sont différentes.
Q13. Spectre du mercure :Q13.
405 nm 436 nm 546 nm 579 nm Raie violette Raie indigo Raie verte Raie jaune
Q14. Les raies d’émission d’un atome ont des longueurs d’onde bien précises : un spectre de raies est comme une carteQ14.
d’identité de l’atome.
3.
3. Conclusion Conclusion
Le spectre d'émission du corps chauffé est continu et d'autant plus riche en couleur bleu-violet que la température du corps est grande. La couleur de la lumière émise par le corps chauffé nous renseigne sur la température du corps.
Sources de l’activité Sources de l’activité
Activité n°1 p256 (BELIN 2nd, Collection Parisi) Activité n°2 p257 (BELIN 2nd, Collection Parisi)
Activité n°3 p260 (BORDAS 2nd, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)
