TP OPTIQUE : SPECTROSCOPIE I.

Travaux Pratiques MP et MP*

TP OPTIQUE : SPECTROSCOPIE

I.

La déviation croît avec l’indice du prisme donc décroît avec la longueur d’onde : la déviation augmente du rouge au violet dans le domaine visible.

Dans les conditions d’émergence du rayon lumineux, la déviation passe par un minimum Dm vérifiant :



 



= 



 



 +

sin 2

sin 2 A

A n D_m

II.

Un goniomètre permet d’effectuer des mesures d’angles.

Il comporte 5 parties :

☞ un disque métallique horizontal fixe comportant des graduations tous les demi-degré (un vernier permet de faire des mesures à la minute d’arc près).

☞ Une plate-forme mobile autour d’un axe ∆ passant par le centre du disque. Le prisme sera placé sur cette plate-forme.

☞ Une lunette mobile autour de ∆. Une vis permet de régler l’orientation de l’axe de la lunette.

☞ Un collimateur.

☞ Une lunette micrométrique

Le prisme doit être éclairé par un faisceau de lumière parallèle orthogonal à l’arête du prisme et l’observation sera effectuée à l’infini dans ce même plan.

Il faut donc régler le goniomètre pour que :

1) le collimateur et la lunette soient réglés à l’infini

2) l’axe de la lunette soit perpendiculaire à l’axe de rotation du goniomètre

3) l’arête du prisme soit parallèle à l’axe de rotation du goniomètre

III.

1) Mesure de l’angle au sommet A du prisme

• Orienter le plateau de sorte que le faisceau envoyé par le collimateur éclaire les 2 faces du prisme (figure ci-contre).

• Viser successivement les faisceaux réfléchis de part et d’autre de l’arête d’angle A.

Montrer que l’angle entre les deux faisceaux réfléchis est 2A.

2) Mesure de la déviation minimale pour une longueur d’onde donnée

Tout en bougeant le prisme, repérer à l’œil nu le minimum de déviation. Ensuite, à l’aide la lunette, régler de manière plus précise la position du prisme au minimum de déviation (placer l’image de la fente en coïncidence avec l’axe vertical du réticule). On repère alors la position de la lunette.

On refait la même manipulation en tournant le prisme pour l’éclairer sur l’autre face.

Entre les deux positions correspondant à la déviation minimale, on a tourné la lunette de 2Dm.

IV.

Pour les raies suivantes (lampes à vapeur de mercure), mesurer la déviation minimale (description de la méthode ci-dessus) et vérifier la loi de Cauchy :

λ2

+

= b

a

n _.

Déterminer pour le verre du prisme, les valeurs de a et b.

Couleur violet indigo vert-bleu vert-jaune jaune jaune rouge MERCURE

Longueur d’onde (nm) 404,6 435,8 495 546 577 579,1 623,4

i i’ D

r r’

A

A i i D

r r A

r n i

r n i

− +

= +

=

=

=

' '

' sin ' sin

sin sin

2A En comptant les angles positivement :

- 2 -

UTILISATION DU GONIOMETRE

V. REGLAGE DU GONIOMETRE

1) Réglages du collimateur et de la lunette

Le collimateur et la lunette doivent être réglés à l’infini.

On commence par la lunette en visant un objet situé "très loin". Laissez par exemple la porte de la salle ouverte et visez un objet lointain. Régler le tirage de la lunette pour le voir net.

Autre possibilité : si la lunette est autocollimatrice (c-à-d possibilité d’éclairer le réticule par une source annexe), régler sa longueur pour voir net le réticule et, simultanément, son image obtenue par réflexion sur un miroir plan (ou sur une face du prisme).

Ensuite, aligner la lunette et le collimateur. Eclairer la fente du collimateur et régler le tirage du collimateur pour que la fente paraisse nette à travers la lunette (la fente ne doit pas être trop large pour ne pas être ébloui).

NE PLUS TOUCHER AU TIRAGE DU COLLIMATEUR ET DE LA LUNETTE PAR LA SUITE. Seul le tirage de l’oculaire peut être modifié selon la vue de l’expérimentateur.

Par la suite, les fils du réticule doivent être horizontaux et verticaux : 2) Réglages de l’horizontalité de la platine

L’axe du collimateur est préréglé perpendiculairement à l’axe central du goniomètre

Il reste à régler l’axe de la lunette perpendiculaire à l’axe du goniomètre puis à bien positionner le prisme (ou le réseau) sur la plate-forme.

a) Réglage de l’axe de la lunette

• Placer une lame à faces parallèles suivant une hauteur du triangle formé par les trois vis calantes W1, W2 et W3 (figure ci-contre).

Seules les vis W1 et W2 auront un rôle.

• Effectuer une autocollimation sur la face F1 de la lame et superposer le réticule horizontal et son image en jouant sur les vis W1 et W2 ainsi que sur la vis de réglage d’orientation de la lunette (sous l’oculaire).

• Tourner la platine à 180° sans bouger la lunette n i la lame pour effectuer l’autocollimation sur la face F2. On observe alors ceci ou quelque chose d’équivalent. Le réticule horizontal et son image sont décalés. Rattraper ce décalage par moitié avec la vis W1 (ou W2) et par moitié avec la vis de réglage d’orientation de la lunette.

• Tourner à nouveau la platine de 180° et recommence r ce qui précède sur la face F1.

• Répéter ces réglages sur F2, puis F1, etc. jusqu’à un réglage précis (normalement, au bout de 2 réglages sur chaque face, le réglage est bon).

L’axe optique de la lunette est alors orthogonal à l’axe central du goniomètre.

b) Positionnement du prisme

But : rendre l’arête utile du prisme (arête des deux faces utilisées du prisme) parallèle à l’axe central du goniomètre.

• Placer le prisme de façon à avoir une vis calante face à chaque face du prisme (nommons W3 la vis face à la face non utilisée du prisme.

• Effectuer une autocollimation sur la face F1 et jouer sur la vis W1 (et uniquement celle-là) pour que le fil horizontal du réticule coïncide avec son image.

• Ensuite faire de même sur la face F2 avec la vis W2 (uniquement).

BON MAUVAIS

W1 W2

W3

F1 F2

W1 W2

W3

F1 F2

Arête utile

- 3 -

• Reprendre le réglage sur F1, puis F2, etc. jusqu’à un réglage précis.

c) Positionnement du réseau

Ne pas modifier l’orientation de la lunette effectuée en 2a).

• Placer le réseau sur une hauteur du triangle équilatéral formé par les vis calantes et effectuer une autocollimation sur une face du réseau. Jouer sur la vis W1 (ou W3) pour faire coïncider le fil horizontal du réticule et son image. Le réseau est alors dans le plan orthogonal à la lunette.

• Il faut ensuite régler le parallélisme des traits du réseau avec l’axe du goniomètre.

Eclairer le réseau avec une source limitée à un point. En jouant sur W2, aligner les ordres du réseau avec le fil horizontal du réticule.

VI. LECTURE D’UN VERNIER

1) Description

Un vernier est un dispositif permettant de mesurer des distances ou des angles avec une grande précision. Il évite la gravure de graduations trop serrées qui seraient illisibles et moins précises.

Un vernier comporte deux parties :

• Une partie fixe graduée

• Une partie mobile (le VERNIER), elle aussi graduée.

Exemple :

Le zéro du vernier est entre les graduations 1 et 2 de l’échelle fixe. La mesure donne donc un résultat entre 1 et 2. Les deux graduations en coïncidence correspondent à la graduation 4 du vernier. Le résultat de la mesure est donc 1,4.

2) Utilisation d’un vernier au 1/30 pour mesurer un angle.

Considérons un goniomètre présentant une échelle fixe graduée au demi-degré et un vernier présentant 30 graduations.

Nous pouvons ainsi mesurer un angle à la minute d’arc près.

Exemples :

105

L’angle mesuré est de 105°40’

L’angle mesuré est de 105°18’

W3 W1

W2