TP Physique N° 05 

Les Messages de la lumière.

Correction.

 

   

Programme 2010 :

Programme 2010 : Physique et Chimie

 

Objectifs : 

Réaliser divers spectres lumineux, les comparer, les classer et en déduire des informations sur la température et la composition d’un objet inaccessible (étoile, nébuleuse,..)

 

I- Dispersion de la lumière blanche.

II- Spectres d’émission

III- Spectres d’absorption

IV- Applications à l’Astrophysique.

 

Matériel :

Rétroprojecteur, projecteur de diapositives, réseaux, lampes à vapeur de mercure et de sodium,

Lampe cadmium, nickel, zinc.

Générateurs, lampes de 12 V (pour 8 groupes), bec bunsen, pulvérisateurs,

solution de permanganate de potassium (0,01 mol / L), solution de chlorure de sodium,

Solution de sulfate de cuivre II, solution de chlorure de calcium, chlorure de baryum,

spectroscopes de poche, solution de colorant jaune, solution de colorant bleu, seringues.

Correction : Diaporama PPoint

I- Dispersion de la lumière blanche.

1)- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

ManipulationPlacer un prisme sur le trajet de la lumière provenant d’une lampe à incandescence.

RédigerObserver et dessiner le spectre en indiquant les différentes couleurs.

-    Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet.

-    C'est un phénomène de dispersion.

-    L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche.

-    Le spectre est continu du rouge au violet

2)- Dispersion de la lumière par un réseau.

-    Un réseau est constitué d'un  film transparent sur lequel on a gravé des traits parallèles, équidistants et très fins

-    Exemple le réseau noté 580 : on a gravé 580 traits par millimètre.

RédigerObserver et dessiner le spectre obtenu.

 

-    Un réseau décompose la lumière blanche.

-    Il dévie plus le rouge que le violet.

-    Spectres : ils sont situés de part et d’autre de la fente centrale.

3)- Comparaison.

RédigerQuels sont les points communs et les différences entre les deux spectres ?

-    On obtient des spectres continus constitués des mêmes radiations. 

-    Le prisme dévie plus le violet que le rouge et le réseau dévie plus le rouge que le violet.

 

 

 

II- Spectres d’émission

-    Un spectre d’émission est un spectre produit par la lumière directement émise par une source.

1)- Spectre continu d’origine thermique.

a)- Analyse de la lumière émise par une lampe (6 V)

ManipulationMontage : brancher la lampe aux bornes du générateur (alimentation ajustable).

-    Régler la tension sur zéro puis mettre le générateur sous tension.

-    Augmenter la tension tout en observant avec le spectroscope la nature de la lumière émise par la lampe.

-    Attention : ne pas dépasser 6V.

RédigerObservations et conclusion.

-    Quelle influence a la variation de tension sur la lampe ?

-    Lorsque la tension augmente, l’éclat de la lampe augmente aussi.

-    Au départ, la lumière est jaune puis devient  blanche.

-    Quelle est la conséquence de cette variation sur les spectres observés ?

-    Le spectre devient plus lumineux et il s’étale vers le bleu et le violet.

-    De quelle grandeur physique dépend ces changements ?

-    Le spectre d’un corps incandescent dépend de la température de ce corps.

-    Plus le corps est chaud et plus le spectre s’étend vers le violet.

2)- Spectres de raies.

-    On analyse à l’aide du spectroscope la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure puis une lampe à vapeur de sodium. 

-    La lampe à vapeur de mercure contient des atomes (Hg) de mercure sous faible pression. 

-    Ces atomes subissent des décharges électriques et sont excités.

-    La lampe à vapeur de sodium contient des atomes de sodium (Na). 

-    Eux aussi subissent des décharges électriques et sont excités.

RédigerReprésenter les différents spectres. Les comparer. Quelle conclusion peut-on tirer ?

-    Spectre de la lampe à vapeur de mercure (les principales) :

Longueurs d’ondes : 405 nm, 436 nm, 546 nm, 577 nm, 579 nm, 580 nm, 615 nm.

 

-    Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

-    Le doublet du sodium :

radiations jaunes de longueur d’onde voisine de  590 nm ( 589,0 nm et 589,6 nm)  

3)- Les couleurs de flammes.

ManipulationPulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec bunsen une solution contenant des ions sodium Na+.

-    Observer la couleur de flamme.

-    Reproduire l’expérience avec d’autres solutions ioniques et indiquer chaque fois la couleur de flamme.

-    Représenter les résultats sous forme d’un tableau.

RédigerConclusion.

-    Quelques couleurs de flamme :

Couleurs émises par quelques composés lors de la combustion

Couleur

Éléments

Composés

Formule

Violet

Potassium

Nitrate de potassium
Chlorate de potassium

KNO3

KClO

Bleu

Cuivre

Zinc

Chlorure cuivreux
Sulfate de cuivre
Poudre de zinc

CuCl
CuSO
4
Zn

Vert

Baryum

Nitrate de baryum
Chlorure de baryum
Chlorate de baryum

Ba(NO3)2
BaCl
2
Ba(ClO
3)2

Jaune

Sodium

Oxalate de sodium
Oxyde de sodium
Nitrate de sodium

Na2C2O4
Na
2O
NaNO
3

Orangé

Calcium

Nitrate de calcium

Ca(NO3)2

Rouge

Strontium

Nitrate de strontium
Hydroxyde de strontium
Chlorure de strontium
Oxyde de strontium
Carbonate de strontium

Sr(NO3)2

Sr(OH)
2

SrCl
2
SrO
SrCO
3

 

Baryum

Calcium

Cuivre

Potassium

Lithium

Sodium

Strontium

 

 

III- Spectres d’absorption

-    Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance.

1)- Spectres de raies d’absorption.

-    Visualisation du tableau des spectres de raies d’absorption.

-    Spectre d'absorption de l'hydrogène :

-    Spectre d'absorption de l'argon :

-    Spectre d'absorption du cadmium :

-    Spectre d'absorption du calcium :

-    Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre d’absorption. 

-    Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche. 

-    Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.  

2)- Spectres de bande d’absorption

ManipulationOn analyse à l’aide d’un spectroscope la lumière transmise à travers différentes solutions colorées.

-    Placer dans l’orifice du spectroscope les différentes solutions colorées

RédigerReprésenter les différents spectres et conclure.

-    Spectre d’absorption de la solution jaune : rouge – orange – jaune – vert : bande noire  qui va du bleu au violet.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution jaune.

 

-    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.

 

-    Spectre de la solution violette : rouge – orange – jaune – violet : bande noire qui va du vert au bleu.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution violette.

IV- Applications à l’Astrophysique.

-    La surface chaude des étoiles émet une lumière dont le spectre est continu. 

-    Certaines radiations de cette lumière blanche traversant l’atmosphère de l’étoile sont absorbées par des atomes qui y sont présents. 

-    On obtient le spectre d’absorption de l’étoile.

-    La couleur de l’étoile permet de déterminer sa température de surface.

-    Le document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

 

a)- Quel type de spectre donne la lumière émise par le soleil ?

-    Le spectre de la lumière émise par le soleil est un spectre continu qui va du rouge au violet.

b)- Pourquoi l’atmosphère du soleil empêche-t-elle d’observer un spectre continu ?

-    L’atmosphère du Soleil contient des éléments chimiques. 

-    La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse. 

-    Il en résulte des raies d’absorption dans le spectre continu.

c)- Qu’es-ce que la photosphère ? Quelle est sa température ?

-    La photosphère est une fine couche de gaz de 350 km d’épaisseur qui enveloppe le Soleil. 

-    Sa température est voisine de 6000 ° C à 5500 ° C.

d)- Qu’est-ce que la chromosphère ? Quelle est sa température ?

-    On appelle chromosphère l’atmosphère située autour du Soleil.

-    Son épaisseur est de l’ordre de 2000 km environ. 

-    Cette atmosphère est constituée de gaz sous faible pression avec des régions où la température atteint 10 4 ° C.

e)- Expliquer pourquoi la présence des raies noires est liée à l’existence de la chromosphère.

-    Si le Soleil ne comportait pas d’atmosphère, le spectre de la lumière émise serait continu. 

-    L’existence des raies d’absorption est due à la présence d’une atmosphère autour du Soleil,  appelée chromosphère. 

-    Le gaz présent est principalement de l’hydrogène.

-    On trouve aussi des ions He+, Ca2+, Fe2+, … 

-    La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.

f)- Pourquoi l’étude des longueurs d’onde des raies noires a-t-elle permis de connaître la composition de la chromosphère ?

-    Un spectre d’émission ou d’absorption est caractéristique des atomes ou des ions.

-    Un spectre de raies d’émission ou d’absorption permet d’identifier une entité chimique (atome ou ion). 

-    C’est sa carte d’identité, sa signature.

g)- Quels sont les deux éléments les plus abondants (en fraction de masse) dans la composition chimique du Soleil ?

-    H, He

       Température

Moyenne     ° C

3000

5500

8000

10000

Couleur

Rouge

orangée

Jaune

Blanche

bleutée

Exemple

Bételgeuse

Le Soleil

Sirius

Rigel

 

Correction : Diaporama PPoint