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PHYSIQUE – CHIMIE
CAHIER DE TRAVAUX PRATIQUES
PARTIE 1
Sources de lumière et couleurs, images en optique,
nature de la lumière Interactions fondamentales et réactions nucléaires
Molécules colorées, structures moléculaires et origine
de la couleur
PREMIERE S
2
NOM : _______________________ Prénom : _____________________
Partie 1 : Couleurs et images
TP n°1 : Etude de l’œil, mécanisme de la vision, propriétés des lentilles ………………………... 3
TP n°2 : Lentilles minces convergentes, relation de conjugaison …...…..……………………….. 8
TP n°3A : Synthèse additive, synthèse soustractive …………………...…….……………….…... 12
TP n°3B : Restitution des couleurs par un écran plat …………………………………………….. 16
TP n°4 : Loi de Wien et évolution stellaire …....………...………………………………………... 22
TP n°5 : Niveaux d’énergie quantifiés et spectres lumineux ……………………………………... 27
TP n°6A : (Partie 1) Extraction de pigments et colorants ………………………….……………... 34
TP n°6A : (Partie 2) Analyse de colorants et pigments par spectrophotométrie …………………. 37
TP n°6B : Plusieurs couleurs pour une substance…………….………….………………………... 42
TP n°7A : Dosage des ions permanganate dans l’eau de Dakin ……………………...…………... 45
TP n°7B : Réaction entre une solution de diiode et des ions thiosulfate ………..………………... 48
TP n°8 : Structure des molécules ……………………………………..…………………………... 51
Partie 2 : Lois et modèles
TP n°9 : L’interaction électrostatique…...………..………..……………………………………… 55
TP n°10 : Réactions nucléaires, radioactivité et relation masse-énergie ...….……………………. 59
M. LANDEL Lycée Chérioux Première S-SVT 2011-2012
3
TP n°1 : Etude de l’œil, mécanisme de la vision, propriétés des lentilles
Objectifs : Comprendre le fonctionnement de l’œil humain, analyser l’analogie entre l’œil et l’appareil
photographique, comprendre le phénomène d’accommodation de l’œil.
Matériel : logiciel « L’œil »
Préambule : Sur le bureau, ouvrir le dossier « L’œil » et lire rapidement la notice du logiciel « L_oeil_(aide).pdf »
Coupe de l’œil humain
Dans le dossier « L’œil », double-cliquer sur le raccourci « l_oeil ».
Cliquer sur l’anatomie de l’œil pour ouvrir ce premier chapitre.
a
b
c
d
e
f
g
h
4
I. A la découverte de l’œil
I.1. L’anatomie de l’œil
Compléter le schéma de l’œil situé à la fin de ce TP, et préciser en deux lignes le rôle de chacun de ces éléments.
En plaçant, la souris sur le numéro encadré de certaines légendes, des explications apparaissent en haut à droite de
l’écran.
a :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
b :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
c :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
d :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
e :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
f :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
g :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
h :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Passer au chapitre suivant en cliquant sur le deuxième point rouge en bas à droite de l’écran.
I.2. Pupille
Cliquer sur le briquet pour l’allumer, et maintenir le bouton de la souris enfoncé tout en le déplaçant. Déplacer le
curseur au-dessus du diaphragme de l’appareil photographique.
En déduire à quel élément d’optique s’apparente la pupille et l’iris de l’œil ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Quel est leur rôle ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………..
I.3. Photorécepteurs
On s’intéresse à présent à la structure de la rétine. Placer la souris sur la position de chaque loupe et observer le
schéma légendé correspondant sur la droite.
Quel est le nom des deux types de cellules optiques ? Quel est le rôle spécifique de chacun d’entre eux ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………..
Quelle est la particularité de la zone de la rétine appelé fovéa ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
5
Même question pour le point aveugle ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Quelles sont les trois couleurs auxquelles l’œil est sensible ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Quel est le rôle du nerf optique ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
I.4. Formation des images
Quelle est l’action des muscles ciliaires sur le cristallin ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
En agissant par cliquer glisser sur la tension des muscles ciliaires du premier dispositif, il est possible de déformer
le cristallin pour permettre l’accommodation.
Lorsque les muscles sont relâchés, où se trouvent les objets qu’un tel œil voit net ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Lorsque les muscles sont complètement contractés, où se trouve l’objet que ce nouvel œil voit net ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Les personnes âgées ont les muscles ciliés qui se contractent de plus en plus difficilement. En vieillissant, voit-on
mieux de près ou de loin ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
A l’aide du premier dispositif, expliquer comment un œil effectue une mise au point ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Est-ce la même chose que pour les appareils photos ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Déplacer le bouton glissière du bas pour déformer l’œil et le rendre myope ou hypermétrope puis cliquer sur la
lentille proposée pour corriger sa vision.
Pourquoi un œil est-il myope ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
I.5. Vision, fonction cérébrale
Faire apparaître les images IRM en cliquant et en déplaçant les flèches situées sur le profil. Bien observer au niveau
du plan des yeux.
Cliquer sur les lettres A, B et C pour voir les conséquences des sections à ce niveau.
Quel est le problème de la vision d’une personne ne disposant que d’un œil ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Quel est le problème de la vision d’une personne hémiplégique (ayant perdu l’usage d’un coté de son cerveau) ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
6
II. Vision de la couleur
II.1. Contraste de luminosité
Observer attentivement les deux carrés gris. Quel est le plus clair des deux ?
En réalité, ils sont exactement identiques !
Le contraste des luminosités est probablement l'élément le plus perturbant pour la "lecture" des couleurs. Notre œil
s'adapte à l'intensité lumineuse moyenne d'une scène. Dans un environnement très clair, la pupille se ferme pour
"réguler" le flux de lumière reçue. Dans l'obscurité, la pupille s'ouvre plus. Conséquence immédiate: la même
couleur sera perçue plus foncée sur un fond clair que sur un fond sombre.
II.2. Contraste de saturation
C'est un autre facteur jouant sur notre perception des couleurs. Par une action d'opposition, nous évaluons la
vivacité d'une couleur en fonction de la scène environnante. Une même couleur semble plus pâle si elle est entourée
de couleurs soutenues que si elle est isolée dans un ensemble globalement fade, passé.
Ouvrir un nouveau document Word. Y dessiner deux carrés d’un vert clair et vif identique. Placer le premier carré
dans un autre plus grand, vert un peu plus sombre, le deuxième dans un carré plus grand mais gris. Comparer la
couleur du petit carré, celui-ci paraît être d'un vert plus vif à dans le carré gris que dans l’autre.
II.3. Saturation des photorécepteurs
Superposer deux feuilles blanches l’une sur l’autre. Sur la première, dessiner un disque noir de deux cm de
diamètres environ, le fixer longuement, puis retirer la feuille et observer la feuille blanche en-dessous. Que
remarquez-vous ?
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Refaire l’expérience en remplaçant le rond noir par un rond rouge. Noter les observations :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Refaire l’expérience en remplaçant le rond noir par un rond bleu. Noter les observations :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Refaire l’expérience en remplaçant le rond noir par un rond vert. Noter les observations :
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
Ceci est du à un phénomène de saturation des photorécepteurs. Expliquer les phénomènes qui ont eu lieu
précédemment.
7
ŒIL POUR OEIL
Source : « C’est pas sorcier », France 3
1) Donner un ordre de grandeur de la masse d’un œil.
2) Citer quatre éléments de l’œil cités dans le film.
3) Compléter le tableau de comparaison entre l’œil et l’appareil photo :
OEIL APPAREIL PHOTO ROLE COMMUN
Objectif
Diaphragme
Rétine
4) Pourquoi ne voit-on pas les images à l’envers ?
5) Comment se réalise la mise au point,
a) dans le cas de l’appareil photo ?
b) dans le cas de l’œil ?
6) L’œil myope.
a) Quel est le problème physique de l’œil myope ?
b) Avec quel type de verre corrige-t-on ce défaut ?
7) L’œil hypermétrope.
a) Quel est le problème physique de l’œil hypermétrope ?
b) Avec quel type de verre corrige-t-on ce défaut ?
8) Citer deux autres défauts de la vision.
9) Citer trois exemples d’ondes électromagnétiques.
10) A quelles couleurs les cônes sont-ils sensibles ?
11) Comment expliquer le daltonisme ?
12) A quels domaines des ondes électromagnétiques l’abeille est-elle sensible ?
13) Que permet de repérer la vision binoculaire ?
14) Comment se nomment les cellules de la rétine qui permettent de voir avec un éclairage faible ?
15) Quel est le nom de la zone de la rétine où la vision est la plus nette ?
8
TP n°2 : Lentilles minces convergentes, relation de conjugaison
Objectifs :
- Comprendre la notion d’image (réelle et virtuelle), en optique.
- Modéliser le comportement d’une lentille mince convergente par une série de mesures :
Mesure de la distance focale d’une lentille, et en déduire la vergence.
Vérification la relation de conjugaison.
Mesure du grandissement.
Matériel :
- Lentilles convergentes de 5 , 10 ; lentille divergente : -10
- Banc d’optique + lampe + écran + support lentille
- Objet lumineux (« F »), diaphragme, lampe de poche
- Ordinateur (salle A02)
I. Etude sommaire de la lentille convergente
Prendre la lentille de vergence C = 10 (dix dioptries).
1. Qu'est-ce qui permet, par simple observation de la lentille, de savoir qu'elle est convergente ?
2. Pourquoi utilise-t-on un banc d'optique pour obtenir l’image d’un objet lumineux ?
Placer l'objet lumineux à l'extrémité du banc, puis la lentille à 15 cm de l'objet. Déplacer l'écran de manière à
obtenir une image nette sur celui-ci.
3. Citer les caractéristiques de l'image obtenue : nature, sens, taille.
4. Citer une application correspondant à la situation.
Placer un diaphragme contre la lentille et commenter l'aspect de l'image.
5. En déduire les conditions d'obtention d'une image nette appelées conditions de Gauss.
II. Etude approfondie de la lentille convergente
On appelle O la position de la lentille sur l'axe, A celle de l'objet et A1 celle de l'image, l'axe principal est orienté
suivant la propagation de la lumière et l'axe transversal suivant l'orientation de l'objet. Pour diverses positions de la
lentille, relever la position et la taille de l'image ; attention aux signes !
9
)m(OA -0,15 -0,17 -0,20 -0,25 -0,30 -0,40 -0,60 -1,00
)m(OA1
)cm(BA 11
6. Comment évoluent la position et la taille de l'image lorsque l'objet se rapproche de la lentille ?
Saisir ce tableau dans Regressi.
L’allure de la courbe 1 ( )OA f OA ne semble pas aisée à modéliser.
Créer les grandeurs calculées OA
1=x et
1OA
1=y en dioptries (). Tracer le graphe y = f(x) et modéliser
(Effectuer un zoom arrière).
7. Noter l’équation ; arrondir les coefficients à l’entier le plus proche si cela vous paraît plausible.
La position de l’image, notée auparavant 'OA pour des raisons pratiques, est plus souvent notée 'OA .
8. Cette série de mesures est-elle en accord avec la relation dite de conjugaison des lentilles minces c'est-à-dire :
1 1 1
' 'C
OA OA OF ? Justifier.
9. En déduire la vergence de la lentille utilisée.
10. Cette valeur est-elle en accord avec l'indication portée sur la lentille ? On effectuera un calcul de précision.
11. En déduire la distance focale de la lentille utilisée.
Rechercher sur ce graphique, à l'aide du curseur réticule, le point correspondant à une position de l'objet à 10 cm
devant la lentille.
12. En déduire la position de l'image par rapport à la lentille.
Réaliser expérimentalement cette situation.
13. Peut-on projeter cette image sur l'écran ?
14. Que faut-il faire pour observer cette image ?
10
III. Approfondissement sur la lentille convergente
15. Citer ses caractéristiques : nature, sens, taille.
16. Citer une application correspondant à la situation.
Séparer la feuille de papier millimétré en deux, horizontalement : le haut pour la question 17, le bas pour la
question 20.
17. Réaliser un schéma correspondant à = - 20 cm (à l'échelle 1 cm pour 5 cm horizontalement, et à l’échelle 1
verticalement).
18. Faire la construction de l'image et vérifier les valeurs de position et de taille* obtenues.
19. Hachurer la marche du faisceau lumineux issu du point B en utilisant toute la lentille.
20. Effectuer le même travail pour la dernière situation étudiée (objet 10 cm avant la lentille).
* Le grandissement , d’une lentille est défini par
' ' 'A B OA
AB OA . Quelle est son unité ?
11
12
TP n°3A : Synthèse additive, synthèse soustractive
Objectifs :
- Aborder et comprendre les notions de synthèse additive et soustractive.
- Comprendre le rôle d'un ou plusieurs filtres colorés sur la lumière.
Matériel :
- Une lanterne (12V), avec miroirs latéraux + alimentation
- 3 Filtres (rouge, vert, bleu)
- 3 Filtres (cyan, magenta, jaune)
- Un écran blanc d’un côté, noir de l’autre
- Réseau
- Classeur filtres plastiques (au bureau)
- Fentes et caches (sachet) ; 1 projecteur de diapositives (au bureau)
Bien que contemporains, Thomas Young (scientifique anglais renommé)
et Théodore Géricault (peintre français) ne se
sont jamais rencontrés.
Ils ont en revanche pu converser, et voici
l’extrait d’un de leurs échanges.
"Young: Votre œuvre intitulée Le radeau de
la méduse est une pure merveille. Vous avez
utilisé et mélangé les couleurs avec justesse
et harmonie.
Mais je puis vous assurer qu'en mélangeant
trois couleurs dans mon cabinet de travail,
j'obtiens du blanc.
Géricault: Vous me surprenez et
m'intriguez, quelles sont ces couleurs?
Young: Il s'agit du rouge, du vert et du bleu.
Géricault: Sans faire ombrage à votre réputation, je puis vous affirmer à mon tour que lorsque je mélange ces
trois couleurs, j'obtiens du noir et non du blanc."
Young: Venez donc me rendre visite et je vous expliquerai également pourquoi les pantalons d'un de vos naufragés
apparaissent rouges.
Observez au vidéoprojecteur l’œuvre citée.
Il vous appartient désormais de tout mettre en œuvre pour démêler le vrai du faux et tenter… d'y voir plus
clair !
I. Expérience 1
I.1. Manipulation
Vous disposez du matériel suivant :
Une lanterne (alimentée en 12 V) à miroirs latéraux permettant d’obtenir trois faisceaux colorés rouge, vert et bleu
(le faisceau situé à l'avant peut être occulté à l’aide d’un cache).Un écran, blanc d’un côté, noir de l’autre.
Réaliser des expériences pour superposer les faisceaux colorés deux à deux sur un écran blanc.
Refaire la même chose avec trois faisceaux colorés.
Thomas Young (1773-
1829)
Théodore Géricault
(1791-1824)
13
I.2. Exploitation
Vous avez obtenu à partir des trois couleurs primaires (rouge, vert et bleu) d'autres couleurs.
Comment pourriez-vous qualifier les nouvelles couleurs obtenues ? Combien en avez-vous obtenues ?
Citer les nouvelles couleurs en indiquant à chaque fois comment vous les avez obtenues.
Quel type de synthèse avez-vous réalisée ? Additive ou soustractive ?
Pourquoi un écran blanc éclairé à l'aide d'une lumière verte apparaît-il vert ? En est-il de même avec une
lumière rouge ou bleue ?
Pourquoi un écran noir éclairé à l'aide d'une lumière verte apparaît-il noir ? En est-il de même avec une
lumière rouge ou bleue ?
Regrouper vos observations en complétant le schéma ci-dessous. Faire valider par le professeur.
II. Expérience 2
II.1. Manipulation
A partir de la lampe de lumière blanche, intercaler un réseau avant l’écran, et essayer d’en obtenir le
spectre. Ensuite, intercaler un filtre primaire : Rouge (R), puis Vert (V), puis Bleu (B).
Recommencer avec les trois autres filtres répertoriés Magenta (M), Jaune (J) et Cyan (C).
R V
B
14
Recommencer en superposant deux filtres de couleurs primaires puis le filtre Rouge avec le filtre Cyan
et/ou le filtre Bleu avec le filtre Jaune et/ou le filtre Vert avec le filtre Magenta.
II.2. Exploitation
Pour chaque filtre, décrire le spectre observé.
En déduire l'action d'un filtre sur la lumière. Quelles radiations transmet-il ou absorbe-t-il ?
Quel type de synthèse avez-vous réalisée ? Additive ou soustractive ?
Regrouper vos observations en complétant le schéma ci-dessous. Faire valider par le professeur.
III. Expérience 3 : La couleur des objets
III.1. Manipulation : Influence de la lumière blanche
Vous disposez d'une feuille comportant six lettres colorées, observez ces différentes lettres en les éclairant
de différentes lumières obtenues en filtrant la lumière blanche. Eviter toute source de lumière extérieure.
III.2. Exploitation
Compléter le tableau ci-dessous.
B V
R
15
Couleur de la
lumière utilisée
Couleur de l'objet considéré une fois éclairé
R V B M C J
Rouge
Verte
Bleue
Magenta
Cyan
Jaune
Un objet apparaît vert lorsqu'il est éclairé par une source de lumière blanche. Quelle est sa couleur lorsqu'il
est éclairé par une source de lumière Magenta ?
De quelle couleur sera le camion de pompier dans un tunnel éclairé par une lumière jaune ?
Même question pour la voiture de gendarmerie qui le suit.
III.3. Manipulation : Lumière émise par un objet coloré
Un objet non transparent est vu blanc parce qu'il ………………. l'ensemble des radiations de la lumière blanche.
Il sera vu coloré lorsqu'il ne………………………………………. des radiations.
Ainsi le pantalon du naufragé est vu rouge parce qu'il …………………………………………………………….
Eclairer les différentes lettres colorées avec la source de lumière blanche et observer ces lettres en plaçant
devant votre œil un filtre coloré.
III.4. Exploitation
Compléter le tableau ci-dessous.
Couleur de l'objet
en lumière blanche
Couleur de l'objet considéré vu à travers un filtre
R V B M C J
Rouge
Verte
Bleue
Magenta
Cyan
Jaune
Question finale : Sauriez-vous dire maintenant si l'un des deux personnages historiques a tort ? Justifier votre
réponse.
16
TP n°3B : Restitution des couleurs par un écran plat (prolongement du TP 3A)
Objectifs :
- Aborder et comprendre les notions de synthèse additive et soustractive.
- Comprendre le rôle d'un ou plusieurs filtres colorés sur la lumière.
Matériel :
- Ordinateur + logiciel CHROMA
- Lentilles « 50 mm », loupes (au bureau), microscope ou loupe binoculaire (au bureau)
I. Avant la séance …
Lire l’ensemble du TP n°3B, notamment les annexes (pages 21 et 22) et répondre aux questions de cette partie (I.)
La fin de la deuxième partie pourra être traitée pendant une séance d’accompagnement personnalisé.
Un superbe écran LCD !
Votre petit frère arrive à la maison bouleversé, il vient de passer une partie de l’après midi à regarder un
bluray sur le nouvel écran plat de son meilleur ami. Après avoir vanté les qualités exceptionnelles de cet écran, il
décide enfin vos parents à se rendre chez un revendeur de télévisions afin de troquer votre vieil écran cathodique
contre ce bijou technologique.
Arrivée dans le magasin, toute la famille se précipite devant ce moniteur si désiré.
Un vendeur se propose alors de vous aider.
Il annonce, en tendant un descriptif de votre écran (annexe 1), à la grande déception de votre frère, que l’écran
convoité est d’une bonne qualité, mais qu’il a bien mieux pour « à peine » plus cher :
« Je vous propose un autre écran plat LCD, 42 pouces, format 16/9,
résolution HDTV 1080p (1920*1080), rétro éclairage par LED, faible
consommation 0,2W/104W, 100 Hz, excellent contraste de 2550/1, et avec un
très bon gamut de couleurs. »
Ne sachant que penser, vos parents préfèrent rentrer à la maison avec diverses
documentations pour réfléchir.
Vous sachant en première scientifique, ils s’adressent naturellement à vous
pour répondre à leurs interrogations.
En fonction de vos connaissances, des annexes fournies, et de l’outil Internet,
vous pouvez ainsi répondre aux questions suivantes :
Qu’est-ce qu’un écran LCD, quel en est son principe ?
Pouvez-vous expliciter brièvement les cinq premières caractéristiques du moniteur proposé par le
vendeur ? Aide : Afin de bien comprendre ce qu’est la résolution d’un écran, on peut changer la résolution d’un écran
d’ordinateur. (Sur le bureau, clic droit, propriétés, paramètres.)
Il est possible, pour des raisons de sécurité, que vous n’ayez pas les droits pour accéder à ces fonctionnalités.
17
II. Pendant la séance …
La restitution des images : de l’œil à l’écran
L'affichage d'un point image élémentaire ou pixel d'un écran est le résultat du mélange des couleurs primaires
émises par trois luminophores, bleu, vert et rouge (R, G, B sur les notices de téléviseur pour red, green, blue) sous
l'effet d'un signal vidéo modulé contenant deux types d'information : la luminance et la chromacité.
1. La synthèse additive
1.1.Superposition de faisceaux colorés
Dans un premier temps, complétez le tableau suivant (rappels) :
faisceaux superposés Couleur observée
rouge + vert
rouge + bleu
vert + bleu
rouge + bleu + vert
Puis, dans un deuxième temps, vous pouvez vous aider du logiciel Chroma, présent sur le bureau.
Cliquez sur l’icône du logiciel Chroma, puis sur « synthèses des couleurs », « synthèses additive et soustractive »,
et enfin « synthèse additive ».
1.2. Couleurs complémentaires
La superposition des trois faisceaux colorés donne de la lumière blanche.
On appelle couleur complémentaire de la couleur c, celle qui apparaît sur l’écran quand on supprime la couleur c
dans la lumière blanche.
En vous aidant du tableau précédent, complétez le tableau suivant :
Couleur supprimée Couleur complémentaire
Bleu
Vert
Rouge
1.3. « De la couleur à l’écran. »
Approchez-vous et regardez avec une loupe, l’image de la mire (dossier du TP). On rencontre la mire sur une
« bonne vieille » télévision à tube cathodique.
Que voyez-vous ? Expliquez le phénomène.
Faites de même avec un écran plat LCD (de votre téléphone par exemple), en venant au bureau l’observer sous la
loupe binoculaire. Faîtes correctement al mise au point.
Faites un schéma de ce que vous observez. Un pixel est la zone élémentaire qui contient les 3 luminophores.
18
Ouvrez l’animation « couleur écran » dans le dossier du TP, et en utilisant des crayons de couleur, indiquez ci-
dessous l’état des luminophores d’une douzaine de pixels.
Image rouge Image jaune Image magenta Image blanche
- Quel doit être l’état des luminophores pour qu’un pixel apparaisse noir ?
- Quelles particularités ont les luminophores pour les exemples choisis ?
- Combien de « couleurs » peut-on ainsi reproduire à l’écran ?
Conclure.
2. Le codage des images pour un écran LCD
2.1.Standards « basiques »
Vous allez enregistrer l’image nommée « image_tp_3b » dans un des formats les plus simples à utiliser, le format
Bitmap (littéralement « carte de bits »). Il permet de mémoriser une image selon la couleur de chaque pixel,
l’image étant composée d’un certain nombre de pixels.
Ouvrez le fichier image, puis « clic droit », puis « modifier », le logiciel « Paint » s’ouvre.
Cliquez sur fichier, « enregistrer sous », et enregistrer une même image sous différents formats Bitmap, sans
oublier de renommer le nouveau fichier (en « image01 », « image02 », etc …). Complétez les trois premières lignes
du tableau. Vous effacerez les images créées, ensuite.
Nom du fichier Taille (en ko)
imagebitmapmonochrome
imagebitmap16couleurs
imagebitmap256couleurs
imagebitmap24bits
Que pensez-vous de la qualité des images enregistrées ?
Expliquez ce qu’est une image Bitmap monochrome.
Faites de même, pour les deux autres formats.
2.2. Standard « true color »
Combien de couleurs, et quelle intensité lumineuse faut-il afficher sur un écran pour reproduire la vision naturelle
? Un œil exercé comme celui d'un peintre ou d'un photographe est capable de distinguer plusieurs millions de
couleurs. Un écran est-il capable de le reproduire ?
19
Enregistrez l’image sous un format bitmap 24 bits, puis complétez la dernière ligne du tableau précédent.
Que pensez-vous maintenant de la qualité de l’image ?
Il faut donc 24 bits (= 3 octets) pour représenter un pixel, soit 8 bits (1 octet) pour chaque couleur R, G, B.
Combien de « nuances » de rouge, de vert, de bleu chaque luminophore peut-il avoir ? (Si vous n’êtes pas
familiarisé avec le système binaire, vous pouvez vous aider de l’annexe 3.)
En déduire le nombre de couleurs possibles que peut prendre un pixel ?
Ce standard est appelé « true color » (couleurs vraies). Porte-t-il bien son nom ?
Pour avoir une image encore plus réelle, on peut associer une quatrième composante permettant d’ajouter une
information de transparence ou de texture. Chaque pixel est alors codé sur 32 bits.
Il existe un autre standard moins performant, le format 16 bits. Combien de couleurs peut-on restituer ?
Afin de mieux, appréhender le travail effectué, on peut aller dans le menu de la carte vidéo : sur le bureau, « clic
droit », « paramètres », dans la fenêtre « qualité couleur », choisir « 16 bits » ou « 32 bits ».
2.3. Pour aller plus loin :
Vérifiez, en vous aidant du tableau, que le poids (en octets) de votre image true color correspond à la valeur
indiquée dans le tableau précédent.
Mon image 800*600 24 bits Image HDTV 1080p (1920*1080) 24
bits
Nombre de pixels
Poids de chaque pixel en octets
Poids de l’image en octets
Poids de l’image en ko
Pour connaître la taille en ko, il faut diviser le poids de l’image en octets par 1024.
Conclusion : Pouvez-vous aider vos parents à faire un choix ?
Combien de couleurs environ peuvent restituer, en théorie (cf. notice), ces deux téléviseurs avec leur traitement
de couleurs 17 bits ?
Que pensez-vous du gamut de couleurs des deux écrans ?
Lequel offre en réalité une richesse de couleurs plus importante ?
Enfin, qu’en est-il du contraste ?
Quel serait votre choix ?
20
Annexe 1 : Extrait du « dossier technique magasin » du téléviseur désiré par votre frère.
Taille 40 pouces
Format 16/9
Résolution native HDTV (1366*768)
Rétro éclairage CCFL
Consommation (en veille ; mode maison) 0,2 W ; 146 W
Fréquence 100 Hz
Traitement des couleurs RGB 17 bits
Contraste vérifié 2000 / 1
Contraste :
Le contraste est très bon sur ce modèle, la profondeur de noir est suffisante et la luminosité est bien dosée.
Gamut de couleurs :
Le Gamut représente la richesse des couleurs affichées. Les coins du triangle sont les couleurs primaires (en
synthèse additive). Ainsi, la surface du triangle représente l’ensemble des couleurs affichables en combinant les
trois teintes primaires avec plus ou moins d’intensité pour chacune d’entre elles. Donc plus la surface du triangle
est étendue, plus les couleurs sont riches.
On peut noter que le spectre des couleurs connues par le téléviseur est particulièrement étendu dans le bleu.
Annexe 2 : Principe simplifié d’un écran LCD.
LCD pour : Liquid Crystal Sisplay, en anglais. (ACL pour : affichage à cristaux liquides en français.)
Un écran LCD est composé de trois parties, une source de lumière blanche, un écran de cristal liquide, et un filtre
coloré.
Du point de vue optique, l’écran à cristaux liquides est un dispositif passif, il n’émet aucune lumière, il doit donc
être éclairé, on parle de rétro-éclairage.
21
L’application d’une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d’une surface
élémentaire de l’écran à cristal liquide entraîne un changement d’orientation des molécules, une variation du plan
de polarisation, et donc une variation de la transparence de cette surface élémentaire.
On peut donc contrôler électriquement le cristal liquide de chaque surface élémentaire comme une vanne. On laisse
donc passer plus ou moins de lumière à travers le cristal, lumière blanche modulée qui sera colorée par un filtre
appelé luminophore.
Chaque point de l’écran ou pixel est en réalité composé de trois luminophores rouge, vert, bleu (red, green, blue,
RGB en anglais)
Grâce aux propriétés des cristaux liquides, on va donc pouvoir moduler la quantité de rouge, de vert, et de bleu de
chaque pixel.
Lorsque l’utilisateur se situe suffisamment loin de l’écran, il ne perçoit plus les trois couleurs primaires mais
uniquement leur mélange. On peut donc de cette manière reproduire une palette entière de couleurs à partir d’un
dosage correct du rouge, du vert, et du bleu. On peut également reproduire toutes les nuances de gris, du noir
absolu au blanc saturé en dosant à parts égales les trois couleurs.
Annexe 3 :
Le mot « bit » est la contraction des mots anglais binary digit, qui signifient « chiffre binaire », avec un jeu de mot
sur bit, « morceau ».
Un bit ne peut prendre que deux valeurs, 0 ou 1 (« ouvert » et « fermé »).
Un octet est composé de 8 bits qui peuvent chacun prendre deux valeurs : 0 ou 1; or 28 est égale à 256. Un octet
peut donc avoir une valeur parmi 256, ce qui permet de compter de 0 à 255.
22
TP n°4 : Loi de Wien et évolution stellaire
Objectifs :
- Exploiter la loi de Wien, son expression étant donnée.
- Tracer les profils spectraux, puis déterminer la température de couleur d’une source primaire naturelle (une
étoile) de lumière et d’une source primaire artificielle de lumière (une lampe à incandescence).
Matériel :
- Ordinateur + Regressi ; l’énoncé du TP est en couleur dans le dossier 1ère
S situé sur le bureau.
Le rayonnement du corps noir
Lorsqu’on s’intéresse au rayonnement émis par un corps, il faut étudier sa composition chimique, sa température,
sa pression, et toute autre donnée physico-chimique définissant l’objet. Dans le cas théorique d’un objet
parfaitement opaque, dont la température ne varie pas et parfaitement isolé, son rayonnement électromagnétique
pourra être déterminé en connaissant seulement sa température. Josef Stephan, Wilhelm Wien et Max Planck ont
déterminé trois lois associées à ce rayonnement de corps noir.
Max Planck était un physicien allemand connu pour ses travaux en
mécanique quantique, pour lesquels il obtiendra le prix Nobel de
Physique en 1918.
Après avoir étudié la thermodynamique, il s’intéresse au rayonnement
du corps noir. Influencé par Boltzmann, il va établir une loi de
répartition de l’énergie du rayonnement en fonction de la longueur
d’onde (1900). Cette loi a pour avantage d’unifier les travaux de
Rayleigh/Jeans et ceux de Wien.
Max Planck ( 1858 – 1947 )
Wilhelm Wien était un physicien allemand, célèbre pour ses travaux
sur les lois du rayonnement et de la chaleur. En 1893, il découvre que
la distribution des spectres du corps noirs passe par un maximum. Il
observe que la longueur d’onde de ce maximum est inversement
proportionnelle à sa température, c’est la fameuse loi de Wien. Il
obtiendra le prix Nobel de Physique en 1911 pour ses travaux.
Wilhelm Wien ( 1864 – 1928 )
Josef Stephan était un physicien slovène connu pour son étude du
rayonnement du corps noir. En 1879 il publie un article où il énonce
une loi (appelée loi de Stephan-Boltzmann), qui relie l’énergie du
rayonnement par unité de surface et la température, mais ce n’est que
plusieurs années après que cette loi fut démontrer théoriquement par
Ludwig Boltzmann, l’élève de J. Stephan. Cette loi aura un impact
important en astrophysique, notamment dans l’étude des étoiles,
notamment le Soleil puisque Stefan en déterminera la température de
surface (5430 °C).
Josef Stephan ( 1835 – 1893 )
23
1. Qu’est-ce qu’un corps noir ? En vous aidant des textes précédents, établir le cheminement qui a abouti à la loi
de Planck sur le rayonnement du corps noir.
La loi de Wien
En étudiant le rayonnement de corps de nombreux objets à différentes températures, Wilhelm Wien a remarqué que
la longueur d’onde correspondante au maximum de rayonnement était inversement proportionnelle à la température
du corps noir. D’où la célèbre loi de Wien :
T
w
max
Où w est une constante égale à 2,898.10-3
m.K ou 2,898.106 nm.K
Des physiciens ont calculé les puissances émises par m² des corps noirs à différentes longueurs d’onde en fonction
de la température du corps noir considéré. Les valeurs sont regroupées dans le tableau 1 (document en annexe page
27), puis ils ont construit les courbes correspondantes. La même démarche a été réalisée pour le soleil, les valeurs
sont regroupées dans le tableau 2.
Quelle est la température de surface du soleil ?
Lancer le logiciel Regressi. « Fichier », « Nouveau », « Clavier ».
« Symbole » : « » (taper Ctrl + L) en nanomètre (nm).
« Symbole » : « Ps1 » (1er graphe à 4000 K); ne pas mettre d’unité.
Valider, entrer les valeurs, puis cliquer sur « Graphe » et vérifier en cliquant sur « XY » que vous avez sélectionné
le graphe Ps1 = f (), et cocher « lignes », « lissage ».
Rééditer l’opération en ajoutant une nouvelle variable « Y+ » que vous nommerez « Ps2 », puis « Ps3 ».
2. Superposer, sur le même graphique, les trois courbes correspondant aux températures données.
3. Rechercher les maxima des courbes obtenues à l’aide du « réticule » (à gauche sur l’écran ». Noter leur valeur.
Pour T = 4000 K, max = ___________
Pour T = 5000 K, max = ___________
Pour T = 6000 K, max = ___________
4. Les maxima ne correspondent pas tous à une seule et même longueur d’onde (ils semblent se décaler), était-ce
prévisible ?
5. Vérifier, pour chaque source de lumière, la validité de la loi de Wien.
24
6. Proposer une première méthode rapide pour déterminer l’ordre de grandeur de la température du soleil.
Quelle est cette valeur ?
7. Proposer une seconde méthode, en utilisant les données fournies, pour déterminer plus précisément cette
valeur.
8. Comparer la valeur obtenue à celle donnée dans l’introduction. La méthode utilisée vous parait-elle fiable ?
9. Peut-on affirmer que le soleil émet son énergie essentiellement dans le domaine du visible ? Justifier votre
réponse.
10. Le Soleil est-il un véritable corps noir ? Peut-on le considérer comme un corps noir ? Justifier.
Loi de Wien et domaine spectral
11. En appliquant la loi de Wien aux objets suivants, calculer la longueur d’one maximale max et
déterminer le domaine spectral correspondant (S’aider de l’annexe : « spectre électromagnetique ».
Compléter le tableau.
Objet Température T (°K) Longueur d’onde max (m) Domaine spectral
50000
Soleil 6000
Terre 300
Nuage moléculaire 20
Fond cosmologique 3
Qu’en est-il du corps humain ?
Loi de Wien et évolution stellaire
12. Compléter le tableau suivant illustrant la classification spectrale des étoiles en calculant la longueur d’onde
maximale max.
25
Etoile Lambda
Orionis Rigel Sirius Procyon Soleil Arcturus Antarès
T (°K) 30000 20000 10000 7000 5500 4000 2500
max (nm)
Couleur
(aspect)
En vous aidant du tableau précédent retrouver à quelle étoile correspond les spectres ci-dessous :
Etoile
13. Si on observe le spectre d’une étoile, de nombreuses raies d’absorption apparaissent. En fonction du type
spectral de l’étoile le spectre sera différent. Cependant certaines raies apparaissent dans le spectre de
nombreuses étoiles de types spectraux différents.
En vous aidant des spectres d’émission de l’Hydrogène et du sodium donnés ci-dessous, retrouvez les raies de
Balmer de l’Hydrogène et le doublet du Sodium dans les différents spectres stellaires.
26
14. Les étoiles de type O sont des étoiles jeunes et très chaudes, contrairement aux étoiles de type M, vieilles et
froides. Sachant que les étoiles naissent dans des nuages d’hydrogène (moléculaire) et d’Hélium, et qu’elles
vont synthétiser un grand nombre d’éléments au cours de leur vie, expliquer les différences des spectres des
étoiles O et K.
Annexes
Tableau 1 Tableau 2
longueur d’onde
(nm)
Puissance émise Ps (…) longueur d’onde
(nm)
Puissance émise
Ps (…)
pour
4000 K
pour
5000 K
pour
6000 K
Soleil
300 0,04 0,34 1,66 300 0,32
325 325 0,76
350 0,08 0,61 2,41 350 1,60
375 375 2,06
400 0,15 0,88 2,91 400
420 420 3,53
450 0,22 1,08 3,15 450 3,70
470 470 3,71
500 0,29 1,21 3,18 500 3,62
550 0,34 1,27 3,07 550 3,35
600 0,38 1,28 2,87 600 3,01
700 0,42 1,18 2,39 700 2,17
800 0,41 1,02 1,91 800 1,59
900 0,38 0,86 1,51 900
1000 0,34 0,71 1,19 1000 0,99
1100 0,29 0,58 0,94 1100 0,79
1200 0,25 0,48 0,75 1200 0,65
Les tableaux ci-dessous donnent les puissances émises en fonction des longueurs d’onde :
Les longueurs d’onde sont données en nanomètres (nm).
Les puissances émises sont données en ×1013
W.m-2
Tableau 1: Pour des corps noirs à 4000 K, 5000 K et 6000 K. Tableau 2: Pour le Soleil.
Spectre électromagnétique
Relation entre couleurs et longueurs d’onde
De 400 nm à 424 nm : violet De 424 nm à 491 nm : bleu
De 491 nm à 575 nm : vert De 575 nm à 585 nm : jaune
De 585 nm à 647 nm : orange De 647 nm à 800 nm : rouge
27
TP n°5 : Niveaux d’énergie quantifiés et spectres lumineux
Objectifs :
- Connaître les relations entre longueur d’onde, fréquence ; entre énergie et fréquence
- Savoir que l’énergie d’un atome est quantifiée, et savoir lui associer des niveaux d’énergie
- Savoir décomposer le spectre électromagnétique
- Savoir expliquer les caractéristiques du spectre solaire
Matériel :
- Ordinateur + Regressi
Partie 1 : A la découverte de la quantification des niveaux d'énergie électroniques (1h00)
1. Comment peut-on interpréter la différence entre ces deux spectres d'émission, correspondant aux atomes de
mercure ( 80 Hg ) et de cadmium (48Cd ) ? (Emettez une ou plusieurs hypothèses.)
2. Comment doit être organisé le nuage électronique pour rendre possibles ces émissions ? Expliquer alors
pourquoi ces émissions ont lieu, et ce que l'on appelle quantification d'énergie.
Pour répondre à cette question, vous disposez de quatre documents :
Document 1 : Description du modèle de l'atome de Rutherford
Document 2 : Description du modèle de l'atome de Bohr
Document 3 : Energie d'un satellite en orbite autour de la Terre
Document 4 : Modèle corpusculaire de la lumière
(nm)400 450 500 550 600 650 700
Spectre d’émission du mercure
Spectre d’émission du cadmium
En 1911, Ernest Rutherford réalise une expérience décisive : il bombarde une feuille d'or très fine par des particules alpha
(noyaux d'hélium obtenus par radioactivité). Ces particules, beaucoup plus petites que les atomes d'or, pour la plupart ne
rebondissent pas sur la feuille d'or comme on pourrait le penser, et ne sont pas déviées par la traversée de la feuille.
Rutherford en déduit donc que la matière est "pleine de trous". Certaines particules alpha, sont déviées, voire rebroussent
chemin ; Rutherford imagine donc que c'est parce que ces particules (chargées positivement) ont rencontré des "îlots" de
matière chargés également positivement. Il en déduit alors un modèle atomique planétaire où l'atome est constitué d'un
noyau positif très petit, et d'électrons tournant autour comme un satellite autour d'une planète.
Document 1 : Description du modèle
de l'atome de Rutherford
28
3. On souhaite trouver une relation qui permette de
quantifier les différents niveaux d'énergie
électroniques d'un atome d'hydrogène.
En s'appuyant sur le diagramme énergétique
suivant de l'atome d'hydrogène, déterminer tout
d'abord qualitativement la courbe qui modélise au
mieux la relation entre l'énergie de l'atome, notée
En, et le nombre quantique n, nombre entier
correspondant au niveau d'énergie (n = 1 pour le
fondamental, n > 1 pour les autres états excités).
Ensuite, à l'aide de Regressi, déterminer
l'équation modélisant au mieux ce diagramme
énergétique (voir courbes a, b, c en page
suivante).
En 1913, Niels Bohr propose un modèle atomique quantique dans lequel les électrons ont des
orbites de rayons définis. Seules existent quelques orbites "autorisées", ainsi les échanges
d'énergie quantifiés correspondent à des sauts entre les orbites définies, et lorsque l'électron est
sur l'orbite la plus "basse", il ne peut aller plus proche du noyau ni s'écraser dessus.
Document 2 : Description du modèle de l'atome de Bohr
Un satellite en orbite circulaire autour de la Terre a une vitesse telle que la force d'attraction gravitationnelle est
compensée par la force centrifuge. En effet, le satellite ne se trouve pas en apesanteur, mais il tombe à chaque instant
vers la Terre. Du fait de sa vitesse élevée, il tombe "à côté" de la Terre. Si les frottements de l'air n'existaient pas, on
pourrait satelliser à n'importe quelle altitude, en pensant à éviter les obstacles. Cependant, l'atmosphère empêche de
placer un satellite à moins de 200 km d'altitude. Et encore y a-t-il un peu d'air dans ce coin, si bien qu'un satellite placé
aussi bas ne tiendra que quelques mois : freiné par l'air, il retombera fatalement dans l'atmosphère et s'y consumera.
Selon son altitude, un satellite de masse m en orbite circulaire à la distance r du centre de la Terre, qui a une vitesse v,
possède une énergie totale 21
2 2
TT
G M mE m v
r
.
Pour passer d'une orbite à une autre, les réacteurs modifient la vitesse du satellite et donc son énergie totale.
Document 3 : Energie d'un satellite en
orbite autour de la Terre
Un photon est une particule non chargée, de masse nulle, se déplaçant à la vitesse de la lumière c, et transportant une
quantité d'énergie E.
A une lumière monochromatique de longueur d'onde λ, on associe des photons d'énergie hc
E
où h est la constante
de Planck.
Les constantes de cette relation ont pour valeur 8 13,00 10c m s et 154,14 10 h eV s .
L'électron-volt eV est une unité d'énergie utilisée en physique des particules, dont la valeur est 191,0 1,60 10 eV J .
Document 4 : Modèle corpusculaire de la lumière
En (eV)
n
6n 5n
3n
4n
2n
1n
00,370,54
0,85
1,51
3,39
13,6
états liés de l’électron
(quantifiés)
états libres de l’électron
ionisation de l’atome
Diagramme énergétique de l’atome d’hydrogène
29
4. A partir de la relation obtenue, déterminer les longueurs d'onde de la série de Balmer, et le domaine auquel
elles appartiennent.
Quelques longueurs d'onde des raies du spectre d'émission de l'hydrogène
Série de Lyman
(radiations ultraviolettes)
Série de Balmer
(radiations )
Série de Paschen
(radiations infrarouges)
12 122 nm 23 34 1883 nm
13 103 nm 24 35 1281nm
14 97,5 nm 25 36 1100 nm
15 95,2 nm 26 37 1011nm
16 94,0 nm 27
17 93,3 nm
5. Le diagramme du lithium est-il en accord avec la relation précédente obtenue
pour le diagramme de l'hydrogène ? Que peut-on en conclure ?
En (eV)
n
0 0
nE k n b
k b
En (eV)
n
0 0
nE k n b
k b
En (eV)
n
20n
kE k
n
courbe a courbe b courbe c
Diagramme énergétique
de l’atome de lithium
En (eV)
51,51E
4 1,55E
3 2,02E
2 3,54E
1 5,39E
30
Partie 2 : Spectres et niveaux d’énergie (1h30)
Le spectre électromagnétique
Notre compréhension de la nature de la lumière fait un bond de géant dans la seconde moitié des années 1800 avec l'aide du physicien écossais James Clerk Maxwell. Maxwell s'intéresse à une foule de problèmes scientifiques dont l'électricité et le magnétisme. Il commence à publier des articles sur ces sujets en 1855, et synthétisera l'ensemble en 1873 dans son livre intitulé Treatise on Electricity and Magnetism (ou Traité sur l'Électricité et le Magnétisme, en français), un classique en la matière. En 1863, Maxwell découvre qu'en manipulant ses équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font qu'un. Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale. De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles au-delà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Par malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en 1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie. En 1888, ce sera pourtant la consécration pour lui : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet. Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom « d'ondes radio ». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du télégraphe et de la radio.
Thomas Young (1773–1829) James Clerk Maxwell (1831-1879) Heinrich Hertz (1857-1894)
Physicien britannique réputé pour avoir mis en évidence le caractère ondulatoire de la lumière. Outre sa maitrise de 13 langues, il s’intéressera à de nombreux domaines de la science, des mathématiques, à la médecine en passant par l’égyptologie.
Grand scientifique du XIXème siècle, les travaux de Maxwell sur la théorie de l’électromagnétisme ont été à la base des plus grandes théories du XXème siècle. Il a également contribué à la théorie ondulatoire de la lumière, à l’étude de la cinétique des gaz et à la théorie des couleurs.
Physicien allemand spécialiste de l’électromagnétisme. Comme Maxwell il s’est intéressé au caractère ondulatoire de la lumière, notamment dans le domaine des ondes radiométriques. Il est à l’origine de la télégraphie et de la téléphonie.
Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-en-ciel. Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les l imites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent détecter. La portion du spectre électromagnétique que nous pouvons percevoir avec nos yeux est infime par rapport à son étendue totale. Si on faisait correspondre le spectre électromagnétique à une fenêtre de 30 millions de kilomètres de long, il ne faudrait ouvrir la fenêtre que de 3 centimètres pour laisser passer la lumière visible. Bien que les ondes radio, infrarouges, ultraviolettes, X et gamma soient toutes des « couleurs » invisibles, ce sont toutes, comme les ondes visibles, de la lumière. Hubert Reeves (Musée Virtuel du Canada - 2006)
31
Données :
- Célérité de la lumière : c = 299 792 km.s-1
- Constante de Planck : h = 6.62.10-34
J.s
- 1 électronvolt : 1 eV = 1,6.10-19
J
1. Quel est le rapport entre l’électricité, le magnétisme et la lumière d’après Maxwell ?
2. Quelle relation y a-t-il entre la longueur d’onde et la fréquence d’un rayonnement électromagnétique ?
3. Calculer la longueur d’onde correspondant aux différents domaines de fréquence, puis compléter le tableau
ci-dessous :
Rayons cosmiques et rayons 5.10
19Hz ≤ ≤ 5.10
20 Hz
< <
Rayons X 3.10
16Hz ≤ < 5.10
19Hz
< <
Rayons UV 8.10
14 Hz ≤ < 3.10
16Hz
< <
Rayons visibles 4.10
14 Hz ≤ < 8.10
14 Hz
< <
Rayons infrarouges 1.10
12 Hz ≤ < 4.10
14 Hz
< <
Rayons micro-onde 1.10
9 Hz ≤ < 1.10
12 Hz
< <
Rayons radio 0 Hz ≤ < 1.10
9 Hz
< <
Compléter la légende du schéma suivant :
Rayons
En vous aidant du texte, quel pourcentage représente le domaine visible par rapport au spectre
électromagnétique total ?
4. Quelles sont, dans ce spectre, les radiations les plus énergétiques ?
32
Caractéristiques du spectre solaire
I. Spectre de Fraunhofer et éléments chimiques
Au XIXème siècle le physicien allemand, Joseph Fraunhofer, a étudié le spectre visible de la lumière du soleil
décomposée par un prisme. Il a pu en déduire la composition chimique de l’atmosphère solaire. Nous allons
voir comment, à partir de l’observation des raies solaires, on a pu vérifier la théorie de quantification des
niveaux d’énergie des atomes, notamment l’atome d’Hydrogène.
Dès 1814, le physicien allemand Fraunhofer
(1787 – 1826) remarque la présence de raies
noires dans le spectre du Soleil.
Kirchhoff mesure la longueur d’onde de plusieurs
milliers de ces raies et montre qu’elles coïncident
avec celles émises par diverses entités chimiques :
hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc, … .
Il publie, en 1861, le premier atlas du système
solaire.
Voici le spectre de la lumière solaire obtenu par Fraunhofer :
1. Dans le spectre du soleil ci-dessus, s’agit-il de raies d’émission ou d’absorption ?
2. En vous aidant du tableau ci-dessous identifier les raies principales (en majuscule) du spectre solaire de
Fraunhofer.
Raie d’absorption A B C D1 D2 E F G H K
Elément chimique
Longueurs d’onde, exprimées en nm de certaines raies caractéristiques de quelques éléments chimiques Éléments
chimiques
Hydrogène
(H)
Sodium
(Na)
Magnésium
(Mg)
Calcium
(Ca)
Fer
(Fe)
Titane
(Ti)
Manganèse
(Mn)
Dioxygène
(O2)
Lon
gu
eurs
d’o
nd
e (n
m)
434 589,0 470,3 396,8 438,3 466,8 403,6 686,7
486,1 589,6 516,7 422,7 489,1 469,1 762,1
656,3 458,2 491,9 498,2
526,2 495,7
527 532,8
537,1
539,7
33
II. Diagrammes d’énergie
Pour expliquer le spectre solaire, en particulier la présence des raies d’absorption, il faudra attendre le début du
XXème siècle avec l’avènement de la mécanique quantique. Dans l’atome d’Hydrogène que nous allons étudier,
tous les niveaux d’énergie ne sont pas accessibles, seuls certains le sont, on parle de quantification. Un atome
excité émettra un photon possédant une certaine énergie, donc à une certaine fréquence.
Voici le diagramme d’énergie de l’atome d’Hydrogène :
1. Calculer la variation d’énergie En2 correspondant aux transitions entre les niveaux d’énergie En
et E2, pour n=3 à n=8.
2. En déduire la fréquence n2 du photon émis par l’atome d’Hydrogène pour chaque transition. Puis calculer
la longueur d’onde n2 correspondante.
En observant le spectre d’émission de l’atome d’Hydrogène ci-dessous, identifier les raies en fonction des
longueurs d’onde calculées précédemment. (1 Angstrom = 0,1 nanomètre)
Raies H H H H H H
Longueur
d’onde (nm)
Ces raies sont appelées « raies de Balmer ». Il existe d’autres raies, invisibles à l’œil nu, appelées « raies
de Lyman » dans l’ultra-violet (transitions En1) et les « raies de Paschen » dans l’infrarouge (transitions En3).
3. Retrouver les raies de Balmer dans le spectre solaire de Fraunhofer.
34
TP n°6A : (Partie 1) Extraction de pigments et colorants
Objectifs :
- Savoir utiliser un spectrophotomètre
- Mobiliser ses connaissances sur la synthèse soustractive pour expliquer des résultats expérimentaux
Matériel :
- 1 bécher 25 mL, 2 béchers 50 mL, 1 bécher 100 mL
- Agitateur en verre, thermomètre électronique
- Dispositif de chauffage + pince métallique
- Dispositif de filtration + entonnoir + filtre
- Mortier + pilon + Eau distillée
- Plaques à chromatographie, micropipettes
- 100 mL d’éluant (éther de pétrole 85 mL, acétone 10 mL, cyclohexane 5mL), au bureau
- Porte-tubes + 8 tubes à essai + bouchons, au bureau
- Vinaigre blanc, pipettes pasteur, papier aluminium au bureau
- Sirop de menthe, feuilles d’épinards, pelote de laine, au bureau
- 200 mL de solution d'ammoniac de concentration molaire 0,1 mol.L-1
, au bureau
I. Extraction des colorants du sirop de menthe
Les colorants alimentaires sont également de grosses molécules (macromolécules) comportant
plus ou moins de liaisons conjuguées (doubles liaisons C = C).
On va s’intéresser ici aux colorants présents dans un sirop de menthe.
Dans un premier temps, vous allez extraire les colorants du sirop de menthe en les fixant sur
un morceau de laine en milieu acide, puis vous les ferez passer en solution (relargage) en
milieu basique.
Dans un second temps (prochain TP), vous proposerez et mettrez en œuvre un protocole
permettant de faire une analyse qualitative des colorants extraits.
Lire l’étiquette donnant la composition du sirop de menthe et la noter.
Protocole :
1ère étape : Le colorant ne se fixe pas seul
- Tremper quelques cm de laine dans environ 10 mL de sirop de menthe, versés dans un bécher.
- Le ressortir et le rincer à l'eau courante.
Que constatez-vous ?
2ème étape : Fixation du colorant
- Sur la plaque chauffante (autour de 60°C, soit aux 2/3), placer un bécher 50 mL contenant : quelques brins
de laine, 10 mL environ de sirop de menthe, et 5 mL de vinaigre blanc (acide acétique).
- Laisser chauffer pendant 5 minutes, en agitant de temps en temps avec l’agitateur.
- Sortir les brins de laine avec la pince et les tremper dans un bécher 100 mL d'eau du robinet. On observe
qu'une partie de la couleur colore l'eau. Sortez le morceau de laine, vider le bécher, et remplissez-le à
nouveau d’eau du robinet.
- Tremper à nouveau le brin dans le bécher d'eau.
Qu’observe-t-on ?
- Sécher le brin de laine avec du papier essuie-tout. Rincer tous les béchers.
35
3ème étape : retrait du colorant
- Sur la plaque chauffante (autour de 60°C), placer un bécher de 50 mL contenant :
les brins de laine précédemment colorés
5 mL de solution d'ammoniaque de concentration molaire 0,1 mol.L-1
- Laisser chauffer pendant 5 minutes, en agitant de temps en temps. Attention aux vapeurs d’ammoniaque.
Qu’observe-t-on ?
- Sortir les brins de laine avec la pince et les tremper dans le bécher de 100 mL rempli aux 3/4 d’eau du
robinet. L’opération peut ainsi être répétée une ou deux fois … Conserver quelques mL de solution
colorée dans un tube à essai (présent sur le bureau) en vue d’une analyse au TP suivant.
Questions de compréhension :
Quel est le rôle de l’ajout d’ammoniac et du rinçage à l’eau de la laine ?
Quand se fait la coloration de la laine ?
Cette coloration a-t-elle lieu en milieu acide, neutre ou basique ? Justifier.
Quel est le rôle de l’ammoniac ?
En une ou deux phrases, dites quel est le but de ce protocole.
Pour en savoir plus … :
D'autres méthodes pour fixer un colorant sur une fibre existent. Tout dépend aussi de la nature chimique de la
substance colorante, et de la nature de la fibre. On distingue 3 types de fibres : fibres animales (laine, soie...) :
constituées essentiellement de protéines (les cheveux sont un peu à part, car protégés par des écailles de kératine),
fibres végétales (coton, lin, chanvre...) essentiellement constituées de cellulose, et fibres synthétiques, souvent des
polymères très divers (polyesters, polyamides, polyéthylène, etc.).
- Les polymères sont colorés dès leur fabrication, en masse.
- Pour les fibres naturelles, végétales et animales, une méthode appelée mordançage consiste à tremper la
fibre ou le tissu dans un bain contenant des ions métalliques (gros sel, alun de potassium, borate de
sodium...) puis à appliquer le colorant.
L’analyse spectrale du colorant se fera lors du TP 6A (partie 2).
36
II. Les pigments des feuilles
Y a-t-il un seul pigment (la chlorophylle) dans une feuille ou d’autres sont-ils présents ?
Quelles sont précisément les radiations lumineuses utiles à la photosynthèse ?
II.1. Réalisation d’une solution de chlorophylle brute
Protocole expérimental :
- Dans un mortier, ajouter quelques feuilles vertes (d’épinards par exemple) coupées en petits
morceaux, puis broyer à sec les feuilles (destruction des parois cellulaires).
- Ajouter un peu d’alcool à 90° pour solubiliser certaines substances et continuer à broyer doucement
pendant 5 minutes - Filtrer le contenu du mortier. - Conserver dans un petit bécher de 25 mL la solution obtenue dite de chlorophylle brute.
II.2. Séparation des pigments de la chlorophylle brute par chromatographie
Protocole expérimental
- Verser l’éluant sur une hauteur d’environ 1 cm dans la cuve à élution. Boucher la cuve. Sur une plaque à chromatographie, après avoir tracé une ligne de dépôt à environ 2 cm du bas, déposer 2 à
3 gouttes de solution de chlorophylle brute. Vérifier que la tâche ne baigne pas dans l’éluant.
- Déposer le plus verticalement la plaque dans la cuve et attendre l’élution.
- Stopper l’élution quand l’éluant arrive à environ 1 cm du bord supérieur. Noter au crayon la ligne de front.
Questions
Rappeler le rôle d’une chromatographie.
Rappeler la définition du rapport frontal.
Faire un schéma annoté à l’échelle du chromatogramme obtenu.
Combien de pigments contient la solution de chlorophylle brute ? Justifier.
L’analyse spectrale du pigment se fera lors du TP 6A (partie 2).
37
TP n°6A : (Partie 2) Analyse de colorants et pigments par spectrophotométrie
Objectifs :
- Savoir utiliser un spectrophotomètre
- Mobiliser ses connaissances sur la synthèse soustractive pour expliquer des résultats expérimentaux
Matériel :
- Ordinateur + Regressi
- Spectrophotomètre + cuves + filtres
- Solutions de chlorophylle, eau distillée
- Sirop de menthe, colorants en tubes (bleu patenté, jaune tartrazine, vert), pipettes pasteur au bureau
- 3 fioles jaugées à 50 mL, au bureau
- 50 mL de solution de sulfate de cuivre à 10-3
mol.L-1
- 50 mL de solution de permanganate de potassium (K+
+ MnO4-) à 10
-4 mol.L
-1
Un spectrophotomètre est un appareil de laboratoire qui permet de mesurer l’intensité de la lumière transmise par
une solution transparente. Il permet de tracer des courbes d’analyses spectrales utilisées pour étudier la composition
de solutions, de déterminer la concentration de solutions ou de suivre l’apparition d’une espèce chimique colorée
au cours du temps…
Pour mener ce TP, il vous suffit d’admettre que le spectrophotomètre mesure l’intensité lumineuse du faisceau
de lumière incidente (I0) et celle du faisceau de lumière transmise (It) (voir schéma ci-dessous). Le
spectrophotomètre calcule alors l’absorbance A de la solution : l’absorbance est un nombre sans unité qui dépend
du rapport 0
t
I
I et qui caractérise la solution.
Dans ce TP, vous allez étudier l’absorbance de solutions de colorants alimentaires pour des lumières de
différente longueur d’onde et ainsi tracer les courbes d’analyse spectrale de ces solutions représentant
l’absorbance en fonction de la longueur d’onde.
Pour tracer ces courbes, vous utiliserez le logiciel libre d’acquisition SpectroCCD. Vous ajouterez à votre
cahier de TP, les courbes ainsi obtenues.
I. Questions préliminaires
1. Rappeler les définitions d’une lumière monochromatique et d’une lumière polychromatique.
2. La lumière, ou domaine du visible, correspond aux radiations visibles par l’œil humain. Ces radiations ont
des longueurs d’onde comprises entre 400 et 800 nm. Compléter les pointillés sur le schéma ci-dessous avec
les couleurs correspondantes aux longueurs d’onde indiquées.
Faisceau de lumière
incidente d’intensité
lumineuse I0
Faisceau de lumière transmise
d’intensité lumineuse It
Cuve contenant la solution
400 500 550 600 700 800 (nm)
………. …… …… ………. ……….. Couleurs
38
3. On étudie maintenant cette lumière après qu’elle a traversé une solution colorée. Cette solution est une
solution bleue de sulfate de cuivre. Comment est modifié le spectre ? Comment appelle-t-on ce type de
spectre ?
4. Si la solution est une solution violette de permanganate de potassium, que devient le spectre ?
5. Expliquer brièvement comment on peut relier la couleur d’une solution au spectre de la lumière que transmet
cette solution.
II. Travail expérimental n°1 : analyse de colorants alimentaires
Les colorants alimentaires commerciaux sont très concentrés. Il convient donc de les diluer.
Manipulation professeur :
On prélève à la pipette pasteur quelques gouttes de colorant, que l’on dilue dans une fiole jaugée à 50 mL d’eau
distillée. La solution obtenue est suffisamment transparente pour que le spectrophotomètre détecte la lumière
transmise.
Dans un même fichier Regressi, vous devez afficher les courbes d’analyse spectrale, en absorption :
d’une solution de bleu patenté Ab = f()
d’une solution de jaune tartrazine Aj = f()
d’une solution de colorant vert Av = f()
Pour cela, on procède ainsi :
1. En premier lieu, il faut réaliser l’étalonnage du spectrophotomètre :
- Lancer le logiciel en cliquant sur le raccourci bureau SpectroCCD.
- Une fenêtre Etalonnage du spectrophotomètre s’ouvre automatiquement.
- Pour faire le « blanc », on remplit une cuve contenant le solvant … ici, c’est l’eau distillée. Placer cette
cuve dans l’emplacement réservé, puis cliquer sur Référence.
- Retirer la cuve, insérer la diapositive noire (opaque) puis cliquer sur Noir.
- Remplacer la diapositive noire par la verte, et cliquer sur Vert.
2. Pour mesurer l’absorbance de la solution diluée de bleu patenté à différentes longueurs d’onde (obtention
d’un spectre) ;
- Placer la cuve contenant la solution diluée, Fermer.
- Cliquer en haut à droite sur Mode, puis Spectre.
- Lancer l’acquisition.
- Le spectre apparaît instantanément. Envoyer le spectre sur Regressi pour l’afficher.
3. Commenter la courbe Ab = f() en précisant pour quelle(s) longueur(s) d’onde l’absorbance est importante et
à quelle couleur correspondent ces radiations.
39
4. Recommencer de la même manière pour la solution de jaune tartrazine, puis pour la solution de colorant
vert.
5. Superposer les courbes sur Regressi, et les commenter.
6. Conclure sur la composition de la solution de colorant vert. Vérifiez votre conclusion grâce à l’étiquette sur
le flacon de ce colorant.
7. Identifier les colorants présents dans le sirop de menthe. Proposer un protocole simple au professeur. Le
réaliser après accord du professeur. Noter les résultats obtenus.
8. Le bleu patenté V a pour formule semi-développée :
Justifier que cette espèce est colorée.
9. Sa formule brute est C27H31N2O7S2 c'est-à-dire du type R-
SO3H mais on la trouve plutôt sous forme de solide ionique
R-SO3-, Na
+.
Quel type de liaison peut établir cette espèce avec une fibre de
laine ?
10. La tartrazine a pour formule semi-développée :
Comment peut-on expliquer la différence de
couleur entre la tartrazine et le bleu patenté V ?
11. Interpréter la couleur du sirop en termes de synthèse soustractive.
40
III. Travail expérimental n°2 : analyse spectrale de la solution de chlorophylle brute
En procédant de la même manière que dans la partie II, réaliser le spectre d’absorption A = f(λ) de la chlorophylle
brute, c'est-à-dire tracer la courbe de l’absorbance de la solution de chlorophylle en fonction de la longueur
d’onde de la lumière.
Comment interpréter les différences observées au niveau du spectre ?
Expliquer pourquoi la chlorophylle nous apparaît de couleur verte.
Observer le spectre d’absorption de chacun des pigments de la chlorophylle brute :
Repasser sur chaque courbe avec une couleur
différente puis identifier les trois courbes.
Conclure en répondant aux deux questions du problème, page 37.
IV. Explication de la couleur par la structure chimique
On place deux plantes A et B sous une cloche transparente colorée. A est sous une cloche rouge, B sous une cloche verte. Quelle plante va se développer le mieux ? Justifier.
Voici la structure chimique des
différents pigments présents dans
les feuilles (d’épinard par
exemple) :
Les différentes chlorophylles
41
Quels points communs et quelles différence
observe-t-on entre les structures de « la »
chlorophylle » et « du » carotène ?
Relation entre couleur et structure chimique des pigments
et colorants organiques.
Formules chimiques et couleur des cyanines
D’après ce document, qu’est-ce qui influence la
longueur d’onde du maximum d’absorption λ abs ?
Pourquoi le composé qui absorbe λ abs = 416 nm
est-il orange ?
Vos réponses sont-elles en accord avec les couleurs des chlorophylles et des carotènes ?
Des carotènes
42
TP n°6B : Plusieurs couleurs pour une substance
Objectif :
- Etudier les différents paramètres pouvant influer sur la couleur d’une substance
Matériel :
- Cristallisoir, 2 béchers de 50 mL, thermomètre en verre
- bec électrique + pince en bois
- 3 tubes à essais + porte-tubes
- Dispositif de filtration : support + entonnoir + papier filtre
- Eau distillée
- 1L Solution de chlorure de cobalt (II) à 0,1 mol.L-1
Au bureau :
- Chou rouge, Glace, feutres ou crayons pour verrerie
- Bain-marie pour tubes à essai
- 1L de « solution de chlorure de cobalt (Co2+
+2Cl-) en milieu eau-alcool » préparée ainsi : on dissout 0,8 g de
chlorure de cobalt CoCl2, 6 H2O dans 45 mL d'éthanol à 95% et on ajoute 8 gouttes d'eau.
- Vinaigre blanc (acide éthanoïque) + bécher
- 1L de solution d'ammoniac (NH3) 0,1 mol.L-1
+ bécher
- 1L d’Acide chlorhydrique (H++Cl
-) à 0,1 mol.L
-1 + bécher
- 1L de solution hydroxyde de potassium (K++HO
-) à 0,1 mol.L
-1 + bécher
I. Quelques expériences sur les complexes du cobalt (II)
II. 1. Thermomètre au cobalt
Principe
La couleur des complexes de l’ion cobalt(II) Co2+
est fonction de la nature du ligand : roses en solution aqueuse, ils
sont rouges dans le méthanol, bleu dans l'éthanol. En variant les proportions de ces solvants, on peut ainsi obtenir
toute une gamme de teintes et provoquer le passage de l'une à l'autre par variation de température.
Expérience
Une solution de chlorure de cobalt en milieu eau-alcool est préparée ainsi : on dissout 0,8 g de chlorure de cobalt
CoCl2, 6 H2O dans 45 mL d'éthanol à 95% et on ajoute 8 gouttes d'eau. Prélever 2 mL de cette solution, présente au
bureau, dans un tube à essais.
Noter sa couleur.
Refroidir le mélange en dessous de 15°C dans un cristallisoir rempli d’eau froide et d’un peu de glace, puis laisser
réchauffer à température ambiante quelques minutes, et enfin doucement au bain-marie tiède (30°C environ).
Refroidir de nouveau progressivement.
Noter les teintes du "thermomètre" obtenu en fonction de la température.
Quelle est l'influence de la température sur la réaction :
Co(H2O)62+ + 2 Cl- + 2 C2H5OH Co(C2H5OH)2Cl2 + 6 H2O
43
II.2. Encre sympathique
Sur un papier filtre, déposer à la pipette quelques gouttes de solution de chlorure de cobalt (II) (à environ 0,1
mol.L-1
).
Placer la feuille au-dessus du bec électrique tiède, et observer le changement de couleur.
Noter ce changement de couleur. Interprétez-le.
II. Le chou rouge dans toutes ses couleurs
Le peintre David rendait souvent visite à son ami Lavoisier au laboratoire de l’Hôtel de l’Arsenal à Paris.
Il le trouva un jour en train de préparer de l’extrait de chou rouge. Le chimiste
venait d’obtenir une solution aqueuse bleue (on porte à ébullition de l’eau distillée
contenant une feuille de chou coupée en morceaux puis on filtre); il allait la
soumettre à l’épreuve des acides et des bases. Il fit l’essai avec des solutions que
nous nommons actuellement solution d’acide chlorhydrique, acide éthanoïque,
ammoniaque et hydroxyde de potassium. Ils purent observer différentes
couleurs avec chacune des solutions ! David dessina alors, sur une feuille, un
hexagone de grande dimension qu’il divisa en 6 triangles équilatéraux représentant
chacun une couleur, comme l’indique la figure ci-contre :
Lavoisier posa chacun des 5 flacons au centre du triangle équilatéral correspondant à la couleur de la solution qu’il
contenait. Il remarqua alors que les 5 flacons se trouvaient dans 5 triangles adjacents. Après avoir observé
longuement la disposition des flacons, Lavoisier aurait énoncé les propositions suivantes :
« L’extrait aqueux de chou rouge permet de révéler différents degrés de force chez les acides et les bases. »
« Si je m’en rapporte à l’hexagone des couleurs de David, la force de l’acidité augmente en décrivant
l’hexagone dans le sens des aiguilles d’une montre, celle des bases croît dans le sens inverse. »
Reproduire l’expérience de Lavoisier et énoncer cette seconde proposition dans le langage de la chimie actuelle.
Sachant que l’extrait aqueux de chou rouge de couleur bleue a un pH compris entre 7 et 8, indiquer la couleur de l’extrait de chou rouge suivant la nature acide ou basique de la solution.
Quelle est la couleur représentée par le triangle resté inoccupé ?
Selon la théorie de Bronsted, un acide est une substance capable de libérer un proton H+.
A partir des structures A, B, et C du colorant présent dans le chou rouge à différents pH, préciser laquelle des structures est la plus acide ?
44
A B C
Associer à chaque structure une couleur et un pH. Justifiez vos réponses.
Quelle peut-être l’utilisation en chimie du jus de chou rouge ?
On appelle ces molécules des __________________________________
La présence du groupe caractéristique ______ révèle l’acidité du colorant.
45
TP n°7A : Dosage des ions permanganate dans l’eau de Dakin
Objectifs :
- Déterminer la concentration en ions permanganate d'un antiseptique : la solution de Dakin
- Utiliser une échelle de teintes, puis un spectrophotomètre.
Matériel :
- Ordinateur + Regressi
- Spectrophotomètre + cuves + filtres
- 4 fioles de 100 mL contenant les solutions de permanganate suivantes :
2,0.10-4
mol.L-1
; 1,0.10-4
mol.L-1
; 5,0.10-5
mol.L-1
; 2,0.10-5
mol.L-1
- 4 béchers (au bureau)
- Porte-tubes + 5 tubes à essai (au bureau)
- Eau de Dakin commerciale + 1 bécher (au bureau)
- Eau distillée
I. Qu'est-ce qu'une échelle de teintes ?
La solution désinfectante de Dakin contient des ions permanganate de formule MnO4-. Cet ion donne une teinte
magenta à la solution aqueuse dans laquelle il est dissous. En réalisant des dilutions d'une solution colorée de
permanganate de potassium de concentration connue, il est possible d'obtenir une échelle de teintes (on connaît la
concentration en ions dans chaque solution diluée). La concentration inconnue de la solution de Dakin peut être
encadrée par simple comparaison des teintes.
1. Par comparaison des teintes avec les tubes à essai de concentration 2,0.10-4
mol.L-1
; 1,0.10-4
mol.L-1
;
5,0.10-5
mol.L-1
; 2,0.10-5
mol.L-1
, indiquez un encadrement de la concentration en ions permanganate de la
solution commerciale de Dakin.
2. La technique de l'échelle de teintes est-elle précise ? Proposez un protocole pour l'améliorer.
Pour évaluer avec plus de précision la concentration de la solution inconnue, on peut utiliser un
spectrophotomètre :
Votre travail va consister à tracer une courbe d’étalonnage représentant les variations de l’absorbance en fonction
de la concentration de l’espèce responsable de la couleur de la solution (les ions permanganate MnO4-), puis vous
utiliserez cette courbe d’étalonnage pour déterminer graphiquement la concentration en cette espèce dans la
solution de Dakin.
II. Détermination de la concentration inconnue en ions permanganate
Vérifier la propreté des parois de vos cuves à spectrophotomètre. Remplir quatre cuves avec les quatre solutions
déjà préparées. N'inversez pas leur ordre !
46
II.1. Tracé du spectre : A = f()
Chaque binôme trace le graphe : A = f() de la solution Sx préparée. A étant l’absorbance, grandeur sans unité et λ
la longueur d’onde exprimée en nanomètre (nm).
• Lancer le logiciel spectroCCD. Une fenêtre « Etalonnage du spectrophotomètre » s’ouvre.
• Cliquer sur « Référence » et suivre les instructions (placer une cuve contenant le solvant : l’eau)
• Cliquer sur « Noir » et placer un écran opaque dans la fente du spectrophotomètre.
• Retirer l’écran opaque et puis cliquer sur « Vert » et placer le filtre vert.
• Ensuite cliquer sur « Fermer ».
• Retirer le filtre et la cuve contenant l’eau et placer la cuve contenant la solution la plus concentrée.
• Cliquer en haut à droite sur « Mode », choisir « Spectre ». Valider. Cliquer sur « Acquisition ».
• Le spectre apparaît.
3. Quelle est la longueur d’onde pour laquelle l’absorbance est maximale sur le spectre que l'on a tracé
entre 400 et 770 nm ? λmax =_______nm
II.2. Etalonnage : tracé du graphe A = f(C)
• Cliquer de nouveau sur « Mode ». Choisir cette fois-ci « Clavier ». Une fenêtre s'ouvre. Si ce n'est déjà fait,
inscrire C pour symbole, mol/L pour unité, concentration pour signification, choisir 0 pour le Minimum et 0,0002
pour le Maximum. Valider.
• Cliquer sur longueur d'onde en haut à droite et inscrire dans le cadre la valeur de λmax. Aussitôt une valeur
d'absorbance apparaît au-dessus en gras. C'est la valeur de l'absorbance de la solution de concentration maximale.
• Introduire les solutions dans l’ordre et saisir au clavier leurs concentrations les unes après les autres. Il suffit
d'appuyer sur la touche « entrée » pour valider la mesure de l'absorbance.
4. L’absorbance est-elle proportionnelle à la concentration de la solution ? Justifier.
II.3. Détermination de la concentration inconnue
Verser la solution de Dakin dans une cuve. Vous allez commencer par mesurer son absorbance.
• Placer la cuve dans le spectrophotomètre. Noter la valeur d'absorbance qui s'affiche ADakin =_____ sans appuyer
sur « entrée ».
• Cliquer sur sauver et envoyer sur Regressi. Valider en cliquant sur OK. Le graphe apparaît, si ce n'est pas le cas
cliquer sur l’icône « Graphe » en haut à gauche.
• Dans Regressi, cliquer sur « Début modèle » , puis sur « Modèle prédéfini » et choisir le modèle
correct.
5. La loi de Beer-Lambert entre absorbance et concentration peut s'écrire : A = k × C (k étant un coefficient de
proportionnalité que nous verrons en cours)
Est-elle vérifiée ici ? Si oui, déterminer la valeur de k à l'aide du modèle proposé par Regressi.
• Dans la fenêtre du graphique, cliquer sur le menu déroulant curseur standard puis
choisir réticule. Lire à l'aide du réticule la valeur de l'abscisse correspondant à l'absorbance de votre solution. Les
coordonnées s'affichent en bas à gauche du graphe.
47
6. Noter la valeur de cette concentration avec deux chiffres significatifs :
CDakin = _________ µmol.L-1
= ______________ mol.L-1
.
Le fabricant indique que la solution commerciale de Dakin est préparée à partir de 1,0 mg de permanganate de
potassium KMnO4 pour 100 mL de solution. La dissolution d'une mole de permanganate solide fournit une mole
d'ions permanganate.
7. Calculez la masse molaire du permanganate de potassium KMnO4.
Données : MK = 39,1 g.mol-1, MMn = 54,9 g.mol-1 et MO=16,0 g.mol-1.
8. Quelle quantité de matière d'ions permanganate a été dissoute dans les 100 mL de solution ?
9. Déterminez la concentration molaire des ions permanganate correspondante dans la solution commerciale de
Dakin que l'on notera Ccommerciale.
10. Comparez la concentration molaire en ions permanganate de la solution de Dakin calculée à partir du fabricant
Ccommerciale avec la valeur trouvée à l'aide de la courbe d'étalonnage CDakin réalisée avec le spectrophotomètre.
Concluez sur la précision de cette technique en calculant l'écart relatif : commerciale Dakin
commerciale
C C
C
48
TP n°7B : Réaction entre une solution de diiode et des ions thiosulfate
Objectifs :
- Identifier le réactif limitant, décrire quantitativement l’état final d’un système chimique.
- Interpréter en fonction des conditions initiales la couleur à l’état final d’une solution siège d’une réaction
chimique mettant en jeu un réactif ou un produit coloré.
Matériel :
Sur les paillasses :
- 2 béchers 50 mL, 1 bécher 100 mL, 1 burette graduée + agitateur magnétique + barreau aimanté
- Eau distillée
- Empois d’amidon
Au bureau :
- Solution de diiode I2 de concentration C1 = 4,00.10-3
mol.L-1.
- Solution de thiosulfate de sodium Na+ + S2O3
2- de concentration molaire C2 = 1,00.10
-2 mol.L
-1
PRESENTATION DU DOSAGE
Dans ce TP, on veut montrer ce qu’est le changement de réactif limitant et on définit l’équivalence, bien que cette
notion ne soit pas explicitement au programme.
Les molécules de diiode I2 et les ions thiosulfate S2O32-
réagissent entre eux selon la transformation chimique
d’équation : I2(aq) + 2 S2O32-
(aq) 2 I-(aq) + S4O6
2-(aq)
1. Etablir littéralement le tableau d’avancement de cette transformation chimique (une ligne pour l’état initial, une
ligne pour l’état intermédiaire, une dernière ligne vide pour l’état final).
MANIPULATION
Introduire, dans un bécher, un volume V1 = 20,0 mL de solution de diiode de concentration molaire
C1 = 4,00.10-3
mol.L-1
.
Remplir une burette graduée avec une solution de thiosulfate de sodium de concentration molaire C2 = 1,00.10-2
mol.L-1
.
On pourra s’aider d’empois d’amidon pour mieux percevoir la présence de diiode : en sa présence, il forme
une espèce colorée en bleu-nuit.
Au fur et à mesure des ajouts d’ions thiosulfate dans le bécher qui contient des molécules de diiode, compléter
le tableau suivant en indiquant les quantités de matière présentes :
49
I2(aq) S2O32-
( aq) I-(aq) S4O6
2-( aq)
Volume versé
(mL)
Couleur du
contenu du
bécher
Quantité
restante
Quantité
versée
Quantité dans
le bécher
Quantité
formée
Quantité
formée
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
EXPLOITATION
2. Faire ci –contre un schéma légendé du dispositif.
3. Sur quel domaine de volume le diiode est-il le réactif limitant ?
4. Même question pour l’ion thiosulfate.
5. Il y a un volume qui correspond au changement de réactif limitant.
Quelle est la valeur de ce volume ?
50
6. Que vaut alors la quantité de matière de chaque réactif ?
7. Quelle relation particulière lie la quantité de matière initiale en diiode et la quantité d’ions thiosulfate versée ?
8. Peut-on retrouver cette valeur à partir du tableau d’avancement ? On considèrera, dans la dernière ligne du
tableau, l’état où il y a changement de réactif limitant.
9. A ce changement de réactif limitant et la relation particulière qui en découle, correspond un état appelé
équivalence et qui est la base de tout dosage en chimie. Proposer une autre définition de l’équivalence, qui fait
appel à l’écriture de la transformation chimique.
51
TP n°8 : Structure des molécules
Objectifs :
- Définir et interpréter la liaison covalente (formule de Lewis)
- Savoir prévoir la géométrie d’une molécule
Matériel : ordinateur + logiciel de simulation 3D de molécules
I. Comment les liaisons entre atomes se forment-elles ?
Introduction : La couleur des oiseaux (extrait du magazine Pour la science)
L’absorption de la lumière par les plumes, et les interférences de la lumière réfléchie sur
leurs structures engendrent les vives couleurs du paon, de la perruche, du colibri….
Remarquablement variées, les couleurs sont toujours dues à des pigments et à des
structures simples des plumes. Soit ils absorbent une partie de la lumière, soit ils la
diffractent. […]
Les organismes des oiseaux contiennent essentiellement deux types de pigments. Les
uns sont des caroténoïdes, dont le plus connu est le bêta carotène (qui colore les carottes
en rouge). Les oiseaux se les procurent en mangeant des végétaux et de petits animaux
qui en contiennent. Ainsi le rouge des ailes des flamants provient d'un caroténoïde
élaboré par une algue (Dunaniella) des lagunes ou des marais salants; ces algues, qui
rendent les eaux rougeâtres, sont consommées par de petites crevettes (Artemia), qui
sont ensuite mangées par les flamants. Les caroténoïdes sont transformés chimiquement
par l'organisme des flamants et fixés dans les plumes. Ils sont responsables des couleurs
rouge, orangé, jaune, crème, selon leur nature chimique exacte et selon leur
concentration dans les plumes.
Les autres couleurs du plumage sont dues aux mélanines. Brunes ou noires, ces protéines sont synthétisées par la
peau. […] Quand la polymérisation n'a pas lieu, des mélanines plus simples sont formées : ces phaéomélanines
engendrent des couleurs allant du brun au roux.
Les mélanines sont à l'origine des couleurs des cheveux et des poils des mammifères. Les cheveux
blanchissent quand la mélanine est absente ou dégradée. En s'associant à d'autres molécules, les
mélanines sont à l'origine de couleurs variées. Ainsi la robe du paon, que le mâle
déploie en faisant la roue, les irisations du cou des pigeons ou des ailes du corbeau
dépendent de la seule mélanine.
Partir de ces formules de molécules pour répondre aux questions suivantes.
On peut aussi visualiser des molécules plus simples avec le logiciel de modélisation Chemsketch, comme :
C
C
C
CH2
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
CH
CH
C
CH
CH
CH
C
CH
CH
CH
CH
C
CH
CH
CH
C
CH
CH
C
CH3 CH3
CH3
CH3
CH2
CH2
CH2
CH
C
CH3CH3
Béta-carotène
OH
C
C
C
C
CH
C
CH2
CH
C
O
OH
NH
CH
NC
CH3
S
C
NC
C
OH
CH
C
CH2C
CS
CH
NH
CH
C
O
OH
CS
N
C
C
C
CH
CHC
OH
CH2CH
NH2
C
O
OH
Phaéomélanine
C
C
C
C
C
C
O
C
C
NC
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Tyrosine
52
2-méthylbutan-1-ol : éthanamine :
Remplir le tableau ci-dessous au fur et à mesure des questions.
D’après la classification périodique, combien d’électrons y-a-t-il sur la couche externe de chacun des
atomes de C, O , H, N ?
Rappeler les règles de l’octet et du duet vues en seconde.
Combien manque-t-il d’électrons à chacun des atomes pour vérifier ces règles ?
En observant les formules de molécules, dire combien de liaisons simples forment chacun des atomes ?
Trouver une relation entre le nombre de liaisons et le nombre d’électrons manquants pour satisfaire la règle
de l’octet ou du duet.
Dans les modèles proposés, un atome forme soit deux liaisons « simples », soit une liaison « double ».
Quel est cet atome ?
Une liaison entre deux atomes ne peut être que simple, double ou triple. Imaginer les différentes liaisons
que peut-former un atome d’azote puis un atome de carbone.
Atome carbone hydrogène oxygène azote
Symbole
Couleur symbolique des modèles
atomique
Nombre d’électrons sur la couche
externe
Nombre d’électrons manquant pour
satisfaire les règles de l’octet ou duet
Nombre de liaisons (doublets liants)
Nombre de doublets non liants
CH3 CH2 NH2 CH3 CH2 CH
CH3
OH CH2
53
Bilan :
La liaison covalente ____________________________________________________________________________
La formule de Lewis ____________________________________________________________________________
II. Quelle est la structure spatiale des molécules ?
Vérifier que la règle de l’octet (ou du duet) est vérifiée pour chacun des atomes présents dans les
molécules suivantes :
C
H
H
H
H
NH
H
H
Construire les molécules à l’aide des modèles moléculaires puis du logiciel de simulation Avogadro.
Observer leur structure spatiale. Remplir la colonne correspondante du tableau.
Mesurer les longueurs de liaison et les angles de liaison à l’aide du logiciel. Remplir les colonnes
correspondantes du tableau.
De combien de doublets d'électrons les atomes sont entourés dans les molécules ? Remplir les colonnes
correspondantes dans le tableau.
Molécule Représentation
de Lewis Géométrie Angle
Doublets
liants
Doublet(s)
non liant(s)
Longueur
liaison
CH4
méthane C
H
H
H
H
=
CH
..............
NH3
ammoniac
NH
H
H
=
NH
…………
H2O
eau
=
OH
…………
CH2O
méthanal
=
CH
…………
III. Comprendre la géométrie des molécules
Des charges de signes contraires s’attirent. Des charges de même signe se repoussent.
Les forces électriques sont d'autant plus faibles que les charges sont éloignées.
O H H
O H H
H
H
C
O
54
Proposer une justification des géométries observées (pourquoi les molécules ne sont pas planes à part le méthanal).
Les angles de liaisons ne sont pas tout à fait les mêmes. Proposer une explication.
Pour approfondir :
Liaisons carbone-carbone … les simples, doubles et triples
Charger les molécules d’éthane, d’éthène (éthylène), d’éthyne (acétylène) avec le logiciel. Donner leur formule semi-développée.
Mesurer les distances CC pour chaque molécule et les classer par ordre croissant.
Liaisons C-O et C=O
Mesurer les distances CO des molécules de méthanol, de diméthyléther, de méthanal, d’éthanal. Justifier les différences et les similitudes.
L’éthanamide
Représenter tous les atomes coplanaires de la molécule d’éthanamide (acétamide). Déterminer la
formule de Lewis de cette molécule.
CONCLUSION :
La géométrie des molécules est due à la répulsion entre les doublets d'électrons. Les doublets se repoussent au
maximum en se répartissant dans l'espace. Les doublets non liants sont plus répulsifs que les doublets liants.
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TP n°9 : L’interaction électrostatique
Objectifs : - Comprendre la nature de l’interaction électrostatique.
- Réaliser et interpréter des expériences sur l’électrisation par frottement.
Matériel :
- Tige de matière plastique (A)
- Tige de verre (B)
- Tige métallique en laiton (M)
- Chiffon (A') de couleur ..............
- Chiffon (B') de couleur .............
- Pendule électrostatique (P ou P') : boule de polystyrène enveloppée de papier d'aluminium et attachée à un
support par un fil fin.
Au bureau :
- Machine de Wimshurt
- 2 plaques métalliques sur support en bois + 4 pinces croco, essuie-tout
Toujours utiliser le chiffon (A') avec la tige (A) et le chiffon (B') avec la tige (B)
I. L'ÉLECTRISATION PAR CONTACT
Frottez l'extrémité de la tige (A) avec le chiffon (A') et approcher la zone frottée de la sphère du pendule
(P).
Observations :
Toucher la sphère du pendule avec la main et recommencer la manipulation précédente en approchant
l'autre extrémité de la tige (non frottée) de la sphère du pendule.
Observations :
Électriser le pendule (P) avec la tige (A), préalablement frottée avec le chiffon (A'). Faire de même pour le
pendule (P') avec la tige (B), préalablement frottée avec le chiffon (B').
Rapprocher doucement l'une de l'autre la sphère de (P) et la
sphère de (P') :
Observations :
56
Recommencer le même type de manipulation avec les deux pendules (P) et (P') pour répondre aux
questions ci-dessous et compléter le tableau récapitulatif de résultats ; (on prendra soin de toucher la sphère
de chaque pendule avec la main entre deux séries d'expériences)
Peut-il exister une seule sorte de charge électrique ? (détaillez)
PENDULE (P)
chargé avec tige (A)
chargé avec tige (A')
PE
ND
UL
E (
P')
chargé avec tige (A)
chargé avec tige (A')
En déduire les règles d'interactions entre les deux types de charges électriques :
Expliquer pourquoi la sphère du pendule dans l'expérience est repoussée après une attraction initiale.
Frotter maintenant la tige métallique (M) en la tenant directement à la main et approcher cette tige de la
sphère du pendule (P).
Observations :
Tenir la tige métallique par un chiffon et recommencer l'expérience précédente.
Observations :
L'attraction de la sphère du pendule est-elle aussi forte que dans l'expérience ?
L'attraction de la sphère du pendule est-elle limitée à la zone frottée de la tige ?
57
II. LA MACHINE DE WIMSHURST
Résumer le principe simplifié de fonctionnement de l'appareil :
Écarter les éclateurs d'environ 2 à 3 cm et mettre la machine en service en tournant modérément la
manivelle.
Attention ! - Ne toucher aucune partie métallique (éclateurs, tige, condensateurs, disques ou balais) de la
machine pendant l'expérience : RISQUE DE CHOC ÉLECTRIQUE (sans danger mais très désagréable !)
- Bien vérifier que la liaison est réalisée entre la borne M de la machine et la terre.
En fin d'expérience, mettre les deux éclateurs en contact.
Observations :
Électriser négativement le pendule (P) par frottement avec la tige (A) frottée. Écarter les deux éclateurs
de 20 à 30 cm environ et mettre la machine en service. Approcher alors la boule du pendule successivement
de chaque éclateur (recharger le pendule avec la tige frottée entre chaque essai).
Attention ! - Ne toucher aucune partie métallique pendant l'expérience : RISQUE DE CHOC ÉLECTRIQUE.
- Bien vérifier que la liaison est réalisée entre la borne M de la machine et la terre.
En fin d'expérience, mettre les deux éclateurs en contact.
Observations :
Interprétation :
La machine électrostatique de Wimshurst permet de réaliser une
électrisation par frottement beaucoup plus efficace que dans nos
expériences précédentes.
Compléter le tableau de nomenclature ci-dessous :
désignation N°
disques en matière plastique
manivelle de mise en rotation
balais métalliques
peignes collectant les charges
condensateurs de stockage
éclateur
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Électriser négativement le pendule (P) par frottement avec la tige (A) frottée. Écarter les deux éclateurs
de 20 à 30 cm environ et relier les tiges des éclateurs aux plaques métalliques comme symbolisé ci-dessous.
Placer le pendule entre les deux plaques et mettre la machine en service.
Attention !
- Ne toucher aucune partie métallique pendant l'expérience : RISQUE DE CHOC ÉLECTRIQUE
- Bien vérifier que la liaison est réalisée entre la borne M de la machine et la terre.
En fin d'expérience, mettre les deux éclateurs en contact.
Observations :
Interprétation :
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TP n°10 : Réactions nucléaires, radioactivité et relation masse-énergie
Objectifs :
- Utiliser la représentation symbolique A
Z X ; définir l’isotopie et reconnaître des isotopes
- Utiliser les lois de conservation
- Utiliser la relation Elibérée= |Δm |.C 2
- Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires
I. Noyaux et radioactivité
« Le polonium 210 »
Un élément radioactif assez peu connu du public a pourtant fait récemment la une des médias : le polonium. En effet, à
Londres en octobre 2006, Alexandre Litvinenko, ancien agent des services secrets russes, a été victime d’un empoisonnement
au polonium 210. Mais de quoi s’agit-il ?
Le polonium est un élément présent naturellement en très petite quantité – il provient alors de la désintégration de
l’uranium 238. Il fut d’ailleurs le premier élément radioactif découvert par Pierre et Marie Curie en 1898, qui le baptisèrent
en l’honneur du pays natal de Marie Curie – la Pologne. On peut aussi produire artificiellement le polonium en bombardant
du plomb ou du bismuth avec des protons, des neutrons ou des noyaux d’hélium.
Le polonium se rencontre sous 25 isotopes, dont les noyaux possèdent le même nombre de protons mais se distinguent par
le nombre de neutrons.
Le polonium 210 est le plus fréquent : il se désintègre en émettant des particules alpha (c’est-à-dire des noyaux d’hélium)
dont l’énergie typique est de 5,3 MeV. La radioactivité d’un échantillon de polonium 210 diminue de moitié tous les 138 jours
: il faut donc l’utiliser sans attendre !
Les particules alpha, émises par le polonium 210 comme par de nombreux autres noyaux radioactifs, sont des rayonnements
ionisants de forte énergie, qui sont capables de générer des dégâts importants lorsqu’ils pénètrent dans la matière vivante
(cellules, ADN). Du fait de sa faible durée de vie, le polonium 210 est fortement radioactif : un milligramme de polonium 210
émet à chaque seconde autant de particules alpha que 13,5 tonnes d’uranium 238 ! Il s’agit donc d’un poison extrêmement
virulent : l’absorption de dix microgrammes est suffisante pour provoquer la mort. À masse identique, le polonium est
environ un million de fois plus toxique que des poisons chimiques comme le cyanure de sodium ou le cyanure de potassium...
Par ailleurs, le polonium possède des caractéristiques qui en font un poison extrêmement intéressant : il se transporte
aisément car les particules alpha qu’il émet sont arrêtées par les parois d’une simple boîte en carton, et il serait inodore et
sans saveur !
Dans ces conditions, il n’est guère étonnant qu’Alexandre Litvinenko n’ait pas survécu à son empoisonnement au polonium.
L’intensité de ce produit radioactif a d’ailleurs permis aux enquêteurs de déterminer avec une assez grande précision les
trajets possibles du polonium 210 depuis son arrivée en Grande-Bretagne. Mais auparavant ? Des sources radioactives de
polonium 210 sont en vente sur internet, mais les quantités sont extrêmement faibles... Si on retient la thèse de
l’empoisonnement volontaire, il faut supposer que ce sont des individus extrêmement bien organisés qui ont agi contre
l’ancien espion russe !
Texte issu de la revue IN2P3 « La couleur »
EXPLOITATION
1. Quelle est la définition du mot isotope ? Donner deux isotopes du polonium de numéro atomique 84.
2. D’après le texte, qu’est-ce qu’un élément radioactif ?
60
3. Peut-on empêcher un noyau radioactif d’émettre des particules ?
4. Qu’appelle-t-on radioactivité alpha ?
5. Quelles sont les dangers des particules ? Est-il facile de s’en protéger ?
6. Sur un graphe (page suivante) portant en ordonnée le nombre de noyaux radioactifs de polonium 210 et en
abscisse le temps (en jours), tracer l’évolution du nombre de noyaux au cours du temps sur une durée de 1000
jours environ ; on notera N0 le nombre de noyaux radioactifs à la date t = 0.
7. La demi-vie d’un noyau radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux présents à une date t se
désintègrent. Le terme demi-vie vous paraît-il approprié ?
8. Pourquoi un élément radioactif de grande demi-vie est-il un danger pour l’environnement ?
9. Expliquer la phrase : « Du fait de sa faible durée de vie, le polonium 210 est fortement radioactif : un
milligramme de polonium 210 émet à chaque seconde autant de particules alpha que 13,5 tonnes d’uranium
238 ! »
Au cours d’une transformation nucléaire, il y a conservation du nombre de nucléons et conservation du nombre de
charges électriques.
Soit l’équation suivante, X désignant le noyau père, Y le noyau fils et p la particule émise :
10. Ecrire les deux équations traduisant les lois de conservation (lois de Soddy), en utilisant A, Z, A’, Z’, z et a.
11. Ecrire l’équation de désintégration du polonium 210 en respectant les lois de conservation ci-dessus ; en
consultant la classification périodique des éléments, déterminer le nom du noyau fils formé.
12. Le bismuth 210 se désintègre en polonium 210 en émettant une particule. Quels sont la charge et le nombre de
nucléons de cette particule ? Quel peut être son nom ?
61
13. Pour obtenir le bismuth 210, qui permet d’obtenir le polonium 210 selon la réaction nucléaire précédente, on
bombarde du bismuth 209 avec un neutron (préalablement accéléré). Ecrire l’équation de cette transformation.
En quoi peut-on dire qu’elle est provoquée ?
62
II. Relation masse – énergie
Doc 1 : Vidéo « La relation E = m.c² » en ligne sur le site universcience.tv
http://escience-tv-front.pad.brainsonic.com/media/1752/e-mc2.html
Doc 2 : Texte
[…] Cette vitesse limite n’a pas été constatée dans une expérience comme celle de la lumière, Einstein l’établit par
le calcul, sur des bases purement théoriques. Nul n’a observé un tel phénomène.
[…] En mécanique classique, l’énergie d’accélération produit de la vitesse, donc de l’énergie cinétique.
Et voilà qu’elle se met à fabriquer de l’inertie, autant dire de la masse.
Qui a donc imaginé une chose pareille ? Einstein bien sûr.
Une telle transformation est inconcevable dans la physique du XIXème siècle. Celle-ci range dans deux catégories
bien séparées la masse et l’énergie.
[…] Le physicien britannique David Bodanis salue l'exploit : “Lier masse et énergie via la vitesse de la lumière
était une intuition phénoménale.” D'autant qu'Einstein ne dispose encore d'aucun fait indiscutable pour poser une
telle équivalence. Une fois de plus, il arrive au résultat au terme d'un travail purement théorique.
« […] La chose est plaisante et séduisante à considérer ; mais Dieu n’est- il pas en train d'en rire et me mène-t-il par
le bout du nez ? Ça, je suis incapable de le savoir ... ».
Extraits de « Ne dites pas à Dieu ce qu’il doit faire. » F. De Closet
Doc 3: Texte
[…] Ainsi, le Soleil passe le plus clair de son temps à transformer de la masse en énergie, par le biais de réactions
de fusion nucléaire, lesquelles ont été identifiées dans les années 1930 par Hans Bethe.
En son cœur, ce ne sont pas moins de 620 millions de tonnes d'hydrogène qui, chaque seconde, sont transformées
en 615 millions de tonnes d'hélium.
[...]Le second exemple concerne la dynamique des chocs très violents que peuvent subir les particules, notamment
au sein des « collisionneurs » qu'utilisent aujourd'hui les physiciens.
Presque toute l'énergie cinétique des particules qui entrent en collision est convertie en matière : elle se transforme
en de nombreuses autres particules massives, à durées de vie généralement très courtes. A bien y réfléchir, il se
produit là quelque chose qui défie le sens commun : une propriété d'un objet en l'occurrence la vitesse des
particules incidentes, est capable de se transformer en d'autres objets, en l'occurrence de nouvelles particules! C'est
un peu comme si la hauteur de la tour Eiffel, qui n'est qu'un attribut de cette tour, pouvait se transformer en d'autres
monuments, par exemple en l'Arc de triomphe et en colonne de Buren...
Ou comme si la vitesse d'un taxi, à l'occasion d'un carambolage, pouvait céder la place à un vélo et un tracteur...
Extraits de « Il était sept fois la révolution. » E. Klein
Après avoir visionné la vidéo, et lu les documents 2 et 3, répondre aux questions suivantes :
1. Que représente la vitesse limite citée dans le texte ? Quelle est sa valeur ?
2. Écrire la formule modélisant la relation entre la masse à l’énergie en explicitant tous les termes et
en précisant les unités. Quand Einstein l'a-t-il établie ?
63
3. Selon une phrase attribuée à Lavoisier (chimiste français ,1743-1794): « Rien ne se perd, rien ne
se crée, tout se transforme », expliquer simplement en utilisant un exemple en chimie et un en
physique pour les deux grandeurs étudiées.
4. Les étapes de la démarche scientifique peuvent souvent être résumées de la façon suivante : Observation - modélisation - vérification (ou réfutation)
En quoi la démarche d'Einstein a été différente ?
5. Qu'est-ce qui permet au Soleil de « briller »?
6. Évaluer le temps nécessaire pour que le Soleil « perde » 1% de sa masse totale. MSoleil = 2,0×10
30 kg
7. Évaluer l'ordre de grandeur de l'énergie rayonnée par le Soleil par seconde.
8. Par quels moyens expérimentaux les scientifiques étudient-ils actuellement les particules ? Quelles sont les transformations étudiées ? Comment les interpréter ?
III. Prolongement : le projet ITER
Le 28 juin 2005, le site de Cadarache (dans les bouches du Rhône) a été retenu pour l’implantation du projet
international de fusion nucléaire ITER. On désire réaliser la fusion de deux noyaux légers en un noyau plus lourd :
la fusion entre un noyau de deutérium et un noyau de tritium, au cours de laquelle se forme un noyau d'hélium.
Données :
- masse d’un noyau de deutérium : m(2
1H ) = 3,344497×10 –27
kg
- masse d’un noyau de tritium : m(3
1 H ) = 5,008271×10 –27 kg
- masse d’un noyau d’« hélium 4 » : m(4
2 He ) = 6,646483×10 –27
kg
- masse du neutron : mn = 1,67494×10-27
kg
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1. Écrire la réaction modélisant cette fusion nucléaire.
2. Déterminer les masses des différents composants avant et après la réaction de fusion ; conclure.
3. En déduire l'énergie libérée.
La fusion de 1,0 g de noyaux de deutérium et de 1,5 g de noyaux de tritium libère une énergie environ 3,0.1023
fois
plus grande que celle calculée pour une réaction de fusion.
4. En déduire l'énergie, en Joule, que l'on pourrait espérer obtenir si on réalisait la réaction de fusion de 1,0 g
de noyaux de deutérium avec 1,5 g de noyaux de tritium dans le réacteur ITER.
La tonne d'équivalent pétrole (1 tep) est une unité d'énergie utilisée dans l'industrie et en économie. Elle sert à
comparer les énergies obtenues à partir de sources différentes.
1 tep représente 4,2.1010J, c'est-à-dire l'énergie libérée en moyenne par la combustion d'une tonne de pétrole.
5. Calculer, en tep, l'énergie libérée par la fusion de 1,0 g de deutérium et de 1,5 g de tritium.
6. En quoi ITER est-il un progrès et un espoir ?
