Phys. N° 04

Les messages

de la lumières :

exercices. Correction.

 

   

Programme 2010 : La lunière des étoiles

Programme 2010 : Physique et Chimie


Pour aller plus loin : 

Logiciel pour létude de la lumière et des spectres

Chroma

Gratuit

Mots clés :

La lumière blanche ; le prisme ; décomposition de la lumière blanche ; spectres d'émission ; spectres d'absorption ; lumière des étoiles ; température et couleurs ; les radiations lumineuses ; ...

 

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1)- Exercice N° 3 page 68. étudier un spectre d’émission.

Une lampe à hydrogène émet des radiations visibles dont les longueurs d’onde dans le vide ont pour valeurs :

λ1

λ2

λ3

λ4

410 nm

434 nm

486 nm

656 nm

  1. Caractériser le spectre d’émission de la lampe.

  2. Le dessiner en respectant les couleurs.

  3. On interpose devant cette lampe un filtre rouge. Quel spectre obtient-on si on analyse la lumière qui a traversé le filtre ?

 

 

Correction :

  1. On est en présence d’un spectre d’émission. C’est un spectre de raies. La lumière émise est polychromatique, elle est constituée de plusieurs radiations, plusieurs couleurs.

  2. Dessin du spectre :

 

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  1. Le filtre rouge ne laisse passer que la radiation rouge. On obtient un spectre comportant une raie rouge. On obtient une lumière monochromatique.

 

2)- Exercice N° 7 page 69. Comparer des spectres d’émission et d’absorption.

  1. Le spectre de la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium présente deux raies rapprochées. On les appelle doublet du sodium. Elles ont pour longueurs d’onde respectives 589,0 nm et 589,6 nm. Quelle est la couleur de la lumière émise par cette lampe ?

  2. Comment peut-on réaliser le spectre :

a)-     D’émission du sodium ?

b)-    D’absorption du sodium ?

  1. Décrire l’aspect de ces deux spectres.

 

 

Correction :

  1. Spectre de la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium : La lumière émise par cette lampe est jaune.

  1. Spectre d’absorption et spectre d’émission :

a)-   Le spectre d’émission est obtenu en décomposant la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium à l’aide d’un système dispersif : un prisme ou un réseau. On obtient un doublet raies jaunes sur fond noir.

b)-    Le spectre d’absorption est obtenu en décomposant la lumière qui a traversé la vapeur de sodium éclairée en lumière blanche. On obtient du doublet de raies noires sur le spectre de la lumière blanche.

  1. Description :

-     Spectre d’émission : On obtient un doublet raies jaunes sur fond noir.

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-     Spectre d’absorption :

-     On obtient du doublet de raies noires sur le spectre de la lumière blanche.

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3)- Exercice N° 10 page 69. étudier le spectre de FRAUNHOFER.

Sur une encyclopédie, on relève les valeurs des longueurs d’onde des raies du spectre de la lumière solaire, appelé spectre de FRAUNHOFER.

H

Ca

Fe

H

Fe

410,1 nm

422,7 nm

430,7 nm

434,0 nm

516,7 nm

Mg

Fe

Na

H

O

517,2 nm

526,9 nm

589 nm

656,2 nm

586,9 nm

  1. Les raies dont les longueurs d’onde sont données ci-dessus, sont-elles des raies d’émission ou d’absorption ?

  2. Quelle est la longueur d’onde de la raie du magnésium ?

  3. Comment explique-t-on la présence de ces raies ?

  4. Quelles sont les longueurs d’onde des radiations que l’on peut trouver dans la lumière émise par une lampe à hydrogène ?

 

 

Correction :

  1. Les raies dont les longueurs d’onde sont données sont des raies d’absorption obtenues en analysant et en décomposant la lumière émise par le soleil.

  2. La longueur d’onde de la raie due à la présence du magnésium dans la chromosphère est λ = 517,2 nm.

  3. Explication : Le Soleil émet une lumière blanche (spectre continu d’origine thermique). Certaines radiations de cette lumière blanche traversant l’atmosphère de du Soleil sont absorbées par des atomes qui y sont présents. On obtient le spectre d’absorption du Soleil (raies noires sur fond colorés : pour pouvoir observer ces raies noires, il faut utiliser un système très dispersif : un réseau)

Exemple : partie du spectre

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  1. Les longueurs d’onde des radiations que l’on peut trouver dans la lumière émise par une lampe à hydrogène sont les suivantes :

-     410,1 nm, 434,0 nm et 656,2 nm.

 

4)- Exercice N° 13 page 70. Excel : Radiations émises par un corps chaud.

  Au laboratoire, on porte un bloc métallique successivement à trois températures θ1, θ2 et θ3.  Pour chaque température, on mesure l’intensité lumineuse I émise par le bloc métallique en fonction de la longueur d’onde.

Pour ces trois températures, le tableau ci-après donne les rapports entre l’intensité lumineuse mesurée et une intensité de référence (θ1 et λ = 300 nm).

λ (nm)

I (θ1)

I (θ2)

I (θ3)

300

1,0

12,0

53,0

400

5,0

28,0

92,0

500

9,0

38,5

100,5

600

12,0

40,5

91,0

700

13,0

37,5

75,0

800

13,0

32,0

60,0

900

12,0

27,0

47,5

1000

11,0

22,0

37,0

1100

9,0

18,0

28,5

1200

7,5

15,0

22,5

  1. à l’aide d’un tableur, tracer les graphique I en fonction de λ correspondant à ces trois séries de mesures.

  2. Déterminer graphiquement pour chacune des températures θ1, θ2 et θ3, la longueur d’onde λmax de la radiation pour laquelle l’intensité lumineuse émise I est maximale.

  3. Conformément à la loi de Wien, on admet que la longueur d’onde l max est liée à la température θ par la relation :

λmax . (θ + 273) = 2898

-    La grandeur λmax est exprimée en micromètre (μm); θ est exprimé en degré Celsius (° C).

-    En déduire les températures θ1, θ2 et θ3.

  1. Pour quelle température le corps chaud paraît-il rouge ?

  1. Pour quelle(s) température(s) le corps chaud émet-il une lumière blanche ? Justifier la réponse.

 

   

  1. Graphique I en fonction de λ correspondant à ces trois séries de mesures :

  1. Longueur d’onde λ max de la radiation pour laquelle l’intensité lumineuse émise I est maximale :

-     Pour la série θ1 : λmax1 =750 nm =0,75 mm.

-     Pour la série θ2 : λmax2 =600 nm =0,60 mm.

-     Pour la série θ3 : λmax3 =500 nm =0,50 mm.

  1. Valeurs des températures θ1, θ2 et θ3 : on utilise la loi de Wien :   λmax . (θ + 273) = 2898

-    On en déduit la relation suivante :

-   

-   

-        

-   

  1. Couleur rouge du bloc métallique :

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-    Le maximum d’intensité lumineuse se situe entre 700 nm et 800 nm pour la température θ1.

-    Pour cette température, l’objet est rouge.

  1. Le corps chaud émet de la lumière blanche pour les températures θ2 et θ3.

-     Il émet toutes les radiations comprises entre 400 nm et 800 nm avec suffisamment d’intensité.

 

5)- Exercice N° 15 page 71. Tube au néon !

 

 On appelle parfois néons, les tubes fluorescents utilisés dans les salles de classe. Ces tubes contiennent-ils du néon ? Pour le savoir, on a analysé avec un spectroscope la lumière qu’ils émettent ; le spectre est le suivant :

  1. De quel type est le spectre de la lumière émise par le « néon » ?

  2. Quelle information donne-t-il sur la nature du contenu du tube ?

  3. Quelle(s) entité(s) chimique(s) est (sont) présente(s) dans le tube ?

  4. Comment devrait-on appeler ces tubes ?

Données : longueurs d’onde ( en nm) des raies d’émission de différents gaz :

Néon

439

583

618

640

660

Argon

416

420

435

476

487

Krypton

466

474

476

557

587

Mercure

405

436

546

577

615

 

 

  1. Type de spectre : on est en présence d’un spectre de raies d’émission (raies colorées sur fond noir)

  2. Information : ce spectre est caractéristique du gaz présent dans le tube, Il permet de le mettre en évidence.

  3. Entités chimiques présentes dans le tube :

Néon

439

583

618

640

660

Argon

416

420

435

476

487

Krypton

466

474

476

557

587

Mercure

405

436

546

577

615

-     On peut en déduire que le tube contient du mercure et de l’argon.

  1. Le nom « néon » est mal adapté. On est en présence d’un tube mercure-argon.

 

 

6)- Exercice N° 19 page 71_72. Mots croisés. à finir !!

 

 

 

 

I- Exercice 3 page 222.

Quelle est la caractéristique du spectre émis par un solide chauffé ?

 

 

Lois à connaître :

-  Un gaz à pression élevé, un solide ou un liquide chauffés émettent un spectre continu (première loi).

-  Un gaz chaud, à basse pression, émet un spectre de raies caractéristiques de l’élément (deuxième loi).

-  Un gaz froid, à basse pression, absorbe certaines radiations.

On obtient un spectre de raies d’absorptions (troisième loi).

-  Remarque : un atome absorbe les radiations qu’il est capable d’émettre.

-  Un corps chauffé émet un spectre continu s’étendant du rouge au violet.

 

 

 

II- Exercice 4 page 222.

 

 

 

 

 

III- Exercice 5 page 222.

Quelles sont les caractéristiques du spectre de la lumière blanche qui a traversé une solution bleue de sulfate de cuivre II.

Quel lien y a-t-il entre le spectre d’émission d’un échantillon gazeux et son spectre d’absorption ?

 

 

-  Caractéristiques du spectre de la lumière blanche qui a traversé une solution bleue de sulfate de cuivre II.

-  Le spectre obtenu après passage de la lumière blanche dans une solution colorée est un spectre de bandes d’absorption.

-  Un spectre de bandes d’absorption est caractéristique de la substance dissoute (ici les ions cuivre II : Cu2+)

-  Le spectre : jaune – vert – bleu – violet.

On observe une bande noire qui va du rouge jusqu’à l’orange.

-  Spectre de la solution bleue : jaune – vert – bleu – violet : bande noire  qui va du rouge à l’orange.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution bleue.

-  Synthèse additive :

-  Rouge + vert jaune

-  Rouge + bleu Magenta (sorte de violet)

-  Bleu + vert cyan ( sorte de bleu clair)

-  Rouge + vert + bleu  blanc.

BLANC JAUNE MAGENTA CYAN

-  La solution absorbe dans le rouge et l’orange, en conséquence, en lumière blanche elle apparaît bleue ciel. (Cyan).

-  Remarque : la solution de permanganate de potassium apparaît magenta, elle absorbe dans le vert.

-  Lien entre le spectre d’émission d’un échantillon gazeux et son spectre d’absorption :

-  Un gaz absorbe les radiations qu’il est capable d’émetteur lorsqu’il est chaud ou excité.

-  Les raies noires du spectre d’absorption correspondent aux raies lumineuses du spectre d’émission.

Synthèse Additive

Synthèse soustractive

Rouge : Vert : Bleu

Cyan : Magenta : Jaune

 

 

IV- Exercice 12 page 222.

Une lampe ordinaire (filament de tungstène) est regardée par un observateur qui met un prisme devant son œil.

a)- Que voit-il ? Pourquoi ?

b)- Que peut-on dire du filament de la lampe ?

c)- Qu’est-ce qui permet le chauffage du filament ?

 

a)- Observations : 

-  L’observateur voit un spectre continu qui s’étend du rouge vers le bleu.

Une lampe ordinaire émet une lumière blanche.

b)- Le filament de la lampe : 

-  La température du filament de la lampe est élevée.

Elle est de l’ordre de 2000 °C à 2500 °C.

c)- Le chauffage du filament  :

-  Le chauffage du filament est dû au passage du courant électrique.

 

 

 

V- Exercice 14 page 222.

On effectue un spectre de flamme en introduisant un échantillon d’une espèce chimique dans la flamme d’un bec bunsen et en analysant la lumière émise à l’aide d’un prisme.

Lors d’une première expérience, on réalise le spectre de l’espèce chimique chlorure de sodium.

Le spectre fait apparaître une intense raie jaune de longueur d’onde λ = 590 nm.

Lors d’une seconde expérience, on réalise le spectre de l’espèce chimique sulfate de sodium.

Le spectre fait apparaître la même raie : λ = 590 nm.

a)- Comment appelle-t-on les spectres obtenus ?

b)- Que peut-on déduire de l’origine de la lumière émise ?

c)- L ‘élément commun.

d)- Pour faire cuire les pâtes, on utilise de l’eau salée.

e)- C’est l’élément potassium

 

a)- Nom des spectres obtenus :

-  Les spectres obtenus sont des spectres d’émission : 

 -  spectres de raies d’émission :

caractéristiques des atomes et des ions présents.

-  Spectre de flamme du chlorure de sodium :

-  Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

b)- Origine de la lumière émise ?

-  La lumière émise est d’origine thermique.

c)- L ‘élément commun.

-  L’élément commun est le sodium.

La raie jaune est caractéristique de l’élément sodium (atome ou ion).

d)- Pour faire cuire les pâtes, on utilise de l’eau salée.

-   Pour saler, on utilise le chlorure de sodium qui est le sel de cuisine.

-   C’est l’élément sodium (ion sodium) qui est responsable de la coloration jaune-orangé.

e)- C’est l’élément potassium

-  C’est l’élément potassium qui est responsable de la coloration violette.

-   On ne trouve pas cette coloration dans la couleur de flamme du chlorure de sodium.

-   Les ions chlorure ne donnent pas de couleur particulière comme les ions sulfate.

-  Spectre de flamme du chlorure de potassium :

 

 

 

 

VI- Exercice 16 page 223.

On brûle du sodium métallique dans la flamme du bec Bunsen. Une forte lumière jaune en résulte.

Son analyse montre qu’elle est constituée d’une unique radiation caractérisée par la longueur d’onde λ = 590 nm.

a)- Que peut-on déduire de cette expérience sur la nature du sodium dans la flamme du bec bunsen ?

b)- On effectue maintenant le spectre de la lumière blanche d’un arc électrique.

L’arc électrique est créé par un fort courant que l’on fait passer entre deux tiges de carbone.

Sachant que, dans ces conditions, le carbone ne peut devenir gazeux, prédire la nature du spectre obtenu.

c)- Dans le faisceau de lumière blanche de l’arc électrique de la question précédente, on place le bec bunsen de la question a)- et on fait brûler du sodium dans la flamme.

Le spectre de la lumière résultante est un spectre continu entrecoupé d’une raie noire. Proposer une explication.

 

 

a)- Nature du sodium dans la flamme du bec bunsen :

-  On a obtenu un spectre de raies d’émission.

-   Ce type de spectre est caractéristique des atomes et des ions.

-   Le sodium se trouve sous forme de gaz dans la flamme.

-   Soit sous forme atomique (atome de sodium Na) soit sous forme ionique (ion Na+).

b)- Nature du spectre obtenu.

-  Le spectre obtenu est identique à celui émis par un corps chaud.

-  C’est un spectre d’émission continu car le carbone ne peut pas passer à l’état gazeux.  

La radiation jaune (λ = 590 nm) D

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Spectre agrandie : en fait un doublet

c)-  Le spectre de la lumière résultante est un spectre continu entrecoupé d’une raie noire. Explication.

-  Le gaz contenant l’élément sodium, soit sous forme atomique Na, soit sous forme ionique Na +,

est capable d’absorber les raies qu’il a su émettre

-   (Le sodium absorbe la radiation qu’il est capable d’émettre).

-  La radiation jaune (λ = 590 nm) D è  raie noire à la place.

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