La lumière

ACTIVITES

A1. Vitesse de la lumière.

La lumière se déplace si vite que pendant des siècles, les astronomes ont pensé qu'elle se propageait instantanément.

Avec les progrès techniques, il a été à peu possible de déterminer de plus en plus précisément la valeur de la vitesse de propagation de la lumière.

Quelle est la valeur de la vitesse de propagation de la lumière dans l'air ?

Doc 2 : Les premières mesures. Les progrès scientifiques et techniques en astronomie ont mis en évidence que la propagation de la lumière n'est pas instantanée. En 1849, Hyppolyte Fizeau (1819-1896) invente un appareil qu'il place au Mont Valérien. Il installe un miroir à Montmartre. Après plusieurs expériences, il obtient une moyenne de $55 \ \micro \ s$ pour l'aller-retour de la lumière entre ces deux objets.

$\bullet$ Déterminer la valeur de la vitesse de propagation de la lumière obtenue par Fizeau.

$\bullet$ Comparer cette valeur à la valeur de la propagation de la lumière dans le vide : $c \ = \ 299792458 \ m.s^{\ -1}$.

$\bullet$ Calculer alors la durée qu'aurait obtenue Galilée lors de son expérience.

$\bullet$ Expliquer pourquoi la mesure était impossible.

A2. Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Après avoir traversé un prisme, une lumière blanche émerge en un éventail de faisceaux colorés.

Que nous apprend cette expérience sur la nature de la lumière blanche ?

Doc 1 : L'expérience de Newton. En 1666, Newton disperse la lumière solaire à l'aide d'un prisme, et observe sur un écran toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. En isolant plusieurs rayons de lumière colorés avec un panneau percé de trous, Newton vérifie qu'un prisme réfracte ses rayons, mais ne changent pas leur couleur. Il comprend alors que la lumière solaire est composée de différentes radiations colorées que le prisme sépare en les déviant différemment.

Doc 2 : Matériel. Banc d'optique Source LASER Prisme Réseau de diffraction

A20. Sécurité.

$\bullet$ Que signifie le terme LASER ?

$\bullet$ Indiquer les mesures de sécurité à respecter lors de l'utilisation d'une source LASER.

A21. L'expérience de Newton.

$\bullet$ A l'aide du matériel à disposition, reproduire l'expérience de Newton.

$\surd$ Compléter le schéma ci-dessous en faisant apparaître :

$\surd$ Un rayon de lumière incident et son trajet à travers le prisme.

$\surd$ Les différents rayons apparaissant à la sortie du prisme.

$\bullet$ La lumière est-elle dispersée vers la base du prisme ou son sommet ?

$\bullet$ Quelle est la couleur la plus déviée ?

$\bullet$ Confirmer ou infirmer les observations de Newton.

A22. Vers plus de précision.

$\bullet$ Reproduire l'expérience précédente en remplaçant :

$\surd$ La source lumineuse par un LASER vert, puis rouge.

$\surd$ Observations.

$\bullet$ Quelle est la caractéristique d'une source LASER ? En déduire la grandeur caractérisant une lumière monochromatique.

$\bullet$ Que peut-on en déduire sur la lumière "blanche" ?

A23. Mesures.

$\bullet$ Reproduire l'expérience précédente en remplaçant :

$\surd$ Le prisme par un réseau de diffraction.

$\surd$ Observations.

$\bullet$ En utilisant la valeur de référence indiquée sur le LASER rouge, déterminer la valeur du coefficient de proportionnalité $k$.

$d\ = \ ............... cm$

$k\ = \ ............... $

$\bullet$ Donner alors une approximation de la longueur d'onde caractérisant chaque couleur et comparer aux valeurs de références fournies (document 3).

A3. Spectres continus.

Il existe une multitude de sources de lumières, naturelles ou artificielles, blanches ou colorées.

Comment obtenir des renseignements sur ces sources en étudiant la lumière qu'elles émettent ?

Document 1 : Emission de lumière et température. Lorsqu'on chauffe un métal, celui-ci émet un rayonnement rouge sombre. Si on continue à le chauffer, la lumière émise devient orangée, jaune, blanche, puis bleue. Spectre émis par un corps chaud à 3500°C Spectre émis par un corps chaud à 6000°C

Document 2 : La tête dans les étoiles. Les étoiles se comportent comme des corps chauds : elles émettent de la lumière dans le spectre et continu. On peut observer des étoiles de différentes couleurs : des Bleues, des jaunes, des rouges, des blanches.   La superposition de l'ensemble des radiations émises par une étoile est à l'origine de la couleur perçue.   La constellation d'Orion, est repérée par sa ceinture, son épée et deux étoiles particulières : Rigel et Bételgeuse. Rigel appartient à la famille des étoiles chaudes tandis que Bételgeuse est dite "froide". Constellation d'Orion.

$\bullet$ Quelle est la différence entre les deux spectres du document1 ?

$\bullet$ Comment évoluera la température d'une barre de métal chauffée à très haute température en se refroidissant ?

$\bullet$ Pourquoi les spectres du document 1 sont-ils qualifiés de "continus" ?

$\bullet$ Quelle différence remarque-t-on sur la photographie du document 2 ? Conclure

$\bullet$ Qu'en déduire sur l'âge du Soleil ?

$\bullet$ Entre Bételgeuse et Rigel, quelle est la plus chaude ?

A4. Spectres de raies.

Certaines sources de lumière, comme le soleil, émettent de la lumière dont le spectre est continu. D'autres, comme les lampes à vapeur de mercure ou de cadmium, émettent des lumières colorées dont le spectre, appelé spectre de raies et discontinu.

Comment exploiter un spectre de raies pour identifier une entité chimique ?

Document 1 : Spectroscope, spectromètre. Un spectroscope est constitué d'un système dispersif (réseau, ou prisme) et d'une fente d'entrée tournée vers une source de lumière il permet d'obtenir des images colorées de cette source. Ces images sont appelées spectres d'émission de la source. Le spectromètre permet d'effectuer des mesures en chimie par exemple, en étudiant un spectre lumineux reçu par l'appareil. On étudie le profil spectral de la source.

Document 2 : Spectres d'émission. Lumière blanche Hydrogène Hélium Mercure Cadmium ? ? ? ?

$\bullet$ A l'aide du spectroscope, visualiser les spectres des différentes sources lumineuses autour de vous. Tenter de les reproduire (photo).

$\bullet$ Comparer les différents spectres observés.

$\bullet$ A l'aide du spectromètre, effectuer l'acquisition de chaque spectre. Reproduire chacun et noter les longueurs d'ondes notables.

$\bullet$ Pour les deux sources laser uniquement, à l'aide du spectromètre comparer les valeurs indiquées sur les appareils aux valeurs mesurées.

$\bullet$ Autour de nous, disposons-nous de lampes à mercure ou au cadmium ?

$\bullet$ On utilise la spectroscopie pour déterminer la composition chimique d'une étoile. Expliquer.

$\bullet$ Identifier les composants du dernier spectre (???)

EXERCICES : P 255 à 264.

12 ; 14 ; 15 ; 16 ; 20 ; 23 ; 26 ; 27 ; 29 ; 32 ; 36 ; 38 ; 40 ; 42 ; 50

COURS

C1. Emission et propagation de la lumière.

C11. Propagation rectiligne.

La lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans les milieux matériels transparents et homogènes. C'est le phénomène de propagation de la lumière.

C12. Vitesse de la lumière.

C2. Couleurs de la lumière.

C21. Dispersion.

Lors de la traversée d'un rayon de lumière blanche, la lumière est dispersée. Le rayon émergent est étalé et présente toutes les couleurs de l'arc-en ciel. La lumière blanche est une lumière polychromatique, composée de rayonnements de couleurs différentes.   Une lumière monochromatique n'est composée que d'un seul rayonnement coloré. Elle n'est pas dispersée par un prisme.

C22. Radiation lumineuse et longueur d'onde.

Toute lumière est constituée d'une ou plusieurs radiations lumineuses.

Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d'onde $\lambda$ qui s'exprime en mètre (m).

Une lumière composée d'une seule radiation est dite monochromatique.

Une lumière composée de plusieurs radiations est dite polychromatique.

Le domaine des radiations visibles s'étend de 400 à 800 nm.

C23. Couleur d'une lumière.

La lumière blanche est composée de toutes les radiations du spectre visible.

La couleur d'une lumière est la couleur qu'elle renvoie en éclairant un écran blanc.

C3. Spectres d'émission.

C31. Spectre continu d'origine thermique.

Un corps fortement chauffé (solide, liquide, gaz) produit un rayonnement d'origine thermique dont le spectre est continu   Quand un corps s'échauffe, la couleur de la lumière émise évolue du rouge au blanc et l'intensité lumineuse augmente.   Le rayonnement émis s'enrichit en radiations de courtes longueurs d'onde.	Ampoule à incandescence.
bleu vert rouge	Coulée de lave.   L'étude du spectre continue émis par une étoile permet d'estimer sa température et ainsi son "âge"

C32. Spectre de raies.

Un gaz d'atomes excité à basse pression émet une lumière composée d'une ou plusieurs radiations. Son spectre est constitué de raies colorées. C'est un spectre de raies d'émission. Chaque atome (ou ion) possède un spectre d'émission qui lui est propre. Ainsi, l'étude d'un spectre d'émission permet d'identifier l'atome (ou les atomes) responsable(s) de l'émission.

Spectre d'émission de l'hydrogène Spectre d'émission du sodium.

C33. Spectre d'absorption.