Physique Les différentes sources de lumière Chap.4

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22/11/2017 P04_sources_de_lumiere.doc 1/4

1^ère S Thème : Couleurs et images TP n°10

Physique Les différentes sources de lumière Chap.4

 Problématiques :

 Nous savons que la couleur d’un objet dépend de la lumière qui l’éclaire. Il est donc essentiel de bien connaître les différentes sources lumineuses.

 Quelles sont les différentes sources lumineuses ?

 Comment expliquer que deux sources de lumières différentes produisent la même sensation visuelle ? La lumière des lampes électriques peut-elle produire les mêmes sensations que la lumière du jour ?

I. Activité 1 : Une diversité de lampes…

 Document 1

Lampe à incandescence

 L’ampoule contient un filament de tungstène qui porté à haute température émet de la lumière. Elle est remplie d’un gaz inerte qui permet d’éviter la détérioration du filament, Seulement 10% de l’énergie électrique consommée est transformé en lumière visible.

Lampe halogène

 La lumière est émise comme dans une lampe à incandescence. L’introduction de gaz halogéné améliore le rendement lumineux et augment ainsi la durée de vie de la lampe.

Laser

 La lumière du laser est très différente de la lumière produite par les autres lampes.

Elle est dangereuse pour les yeux. Les lasers s’échauffent peu.

DEL Diode Electroluminescente

 La lumière est émise par un composant électronique lorsqu’il est parcouru par un courant électrique.

Lampe fluocompacte

 Ce sont des lampes contenant du mercure gazeux qui est excité sous l’action de décharges électriques. Le mercure produit alors un rayonnement ultraviolet. Ce rayonnement va exciter à son tour une poudre fluorescente dont est recouverte la paroi intérieure de l’ampoule : on a alors émission de lumière. Peu gourmandes en énergie et très résistantes, ces lampes offrent une très bonne qualité de lumière pour un éclairage générale.

Soleil

 Le soleil est siège de réaction de fusion. La température de sa surface est de l’ordre de 5200°C.

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 Questions :

1) Les lampes électriques émettent-elles toutes de la lumière blanche ?

2) Pourquoi, à votre avis, les lampes à incandescence sont-elles progressivement (entre 2009et 2016) interdites à la vente ?

3) Expliquez la notion :

a) De gaz inerte. Donner des exemples de gaz inerte.

b) D’halogène. Donner des exemples d’halogènes.

4) Si on oublie de recouvrir la paroi de la lampe fluocompacte de poudre fluorescente, peut-elle servir d’éclairage ? Pourquoi ?

5) Classer les sources du document 1 selon leur type d’émission : incandescente ou luminescente.

6) Lesquelles sont qualifiées de sources chaudes ? De sources froides ? II. Activité 2 : Les couleurs d’une lumière…

 Certaines sources ne permettent pas la restitution des couleurs naturelles.

C’est le cas des lampes à vapeur de sodium basse pression qui émettent une lumière jaune quasi monochromatique.

 Cependant, on demande le plus souvent à un éclairage artificiel de restituer des sensations colorées proches de celles générées par la lumière naturelle, souvent appelée lumière du jour.

 Nous allons analyser spectralement chaque lampe. Pour cela, on dispose du profil spectral de chaque lampe.

1) Associer à chaque lampe de la page 4 son profil spectral.

2) Donner la définition du profil spectral d’une lampe.

3) La lumière émise par une lampe fluocompacte est-elle monochromatique ou polychromatique ? Expliquer.

4) Comparer le profil spectral des différentes lampes à celui de la lumière du jour.

5) Comment expliquer que, pour l’œil humain, la lumière du jour et celle émise par une lampe puisse générer les mêmes sensations colorées, bien que leurs profils soient différents ?

III. Loi de Wien

1. Recherche d’un protocole expérimental

1.1. Comment connaître la température d’un corps chaud à partir de la lumière qu’il émet ? A vous de formuler des hypothèses.

1.2. Proposer un protocole qui permettrait de tester vos hypothèses et ainsi de pouvoir répondre au questionnement.

 Faire vérifier votre montage par le professeur avant de mettre sous tension.

1.3. Les résultats sont-ils en accord avec les expériences ? Deux types d’émission de lumière :

 Le rayonnement thermique (ou par incandescence) est produit par une élévation de température.

 Le rayonnement par luminescence résulte de l’excitation des atomes et des molécules par différents mécanismes sans élévation de température.

Protocole retenu : ...

...

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2. Le rayonnement du corps noir

2.1. En appliquant la loi de Wien aux objets suivants, calculer la longueur d’onde maximale max et déterminer le domaine spectral correspondant. Compléter le tableau ci-dessous.

Objet Température (K) Longueur d’onde max (m) Domaine spectral

Soleil 5 500

Terre 300

Etre humain

2.2. Compléter le tableau suivant illustrant la classification spectrale des étoiles en calculant la longueur d’onde maximale max.(en nm).

Etoile Lambda

Orionis Rigel Sirius Procyon Soleil Arcturus Antarès

T(K) 30 000 20 000 10 000 7 000 5 500 4 000 2 500

max (nm)

2.3. En vous aidant du tableau précédent retrouver à quelle étoile correspond les spectres ci‐dessous : Donnée : 1 Å (angström)= 0,1 nm

Etoile : ... ; ... ; ...

Un « corps noir » est un objet théorique qui absorberait toutes tes radiations qu’il reçoit en n’en réfléchissant aucune : le spectre de la lumière émise par un tel corps serait continu et ne dépendrait donc que de sa température.

L’objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l’intérieur d’un four. C’est d’ailleurs en utilisant un four que le physicien allemand Wilhelm Wien (1864-1928) met en évidence une loi empirique (qui découle de l’expérience).

La loi de Wien montre que la longueur d’onde max de la radiation la plus lumineuse émise par un corps noir est inversement proportionnelle à la température T du corps :

max  T = constante

Lorsque max est exprimée en mètre (m) et T en kelvin (K), la constante vaut : 2,898  10^-3 m.K.

Rappel : T(en K) = (en °C) + 273.

Wien reçoit le prix Nobel de physique en 1911 pour ses travaux sur le rayonnement du corps noir.

1000 3500 6000 8500 11000 1000 3500 6000 8500 11000 1000 3500 6000 8500 11000

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Lampes Spectre Profil spectral Lampes Spectre Profil spectral

Lampe halogène   Lampe à vapeur

de Néon  

Soleil au zénith   Laser rouge  

Lampe à vapeur

de sodium   Lampe blanche

à incandescence froide

 

Lampe à diode électroluminescente

DEL « chaude »

  Petite DEL

éclairant rouge  

Lampe à vapeur

de mercure   Petite DEL

éclairant jaune

à schématiser

 

Lampe

fluocompacte  