Cours de physiquecours.physique.free.fr/IMG/pdf/LeCours.pdf · CHAPITRE 1. DE L’ATOME AUX GALAXIES 5 Du noyau atomique aux galaxies, les longueurs vont de 10 15mà 1025m. De plus,

Cours de physique,classe de 2nde

Table des matières

I Exploration de l’espace 3

1 De l’atome aux galaxies 41.1 La physique : définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Présentation de l’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 L’écriture des longueurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Les puissances de 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Les différentes unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.3 L’écriture scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.4 L’ordre de grandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.5 bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 La mesure des longueurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.1 Mesures directes et indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.2 Mesure à l’échelle humaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.3 Mesure de petites distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.4 Mesure de grandes distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Travaux pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.1 TP 1 : la parallaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.2 TP 2 : mesure du diamètre d’un cheveu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5.3 TP 3 : le sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Messages de la lumière 122.1 Quelques propriétés de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.1 Rappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.2 La longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Voir loin c’est voir dans le passé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1 L’année lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.2 Voir dans le passé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Un système dispersif : le prisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.1 L’indice de réfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2 les lois de Snell-Descartes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.3 Le prisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Les spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.1 Les spectres d’émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.2 Les spectres d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Application à l’astrophysique : la composition du Soleil . . . . . . . . . . . . . . 152.5.1 Le principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.5.2 Le spectre du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1

TABLE DES MATIÈRES 2

2.6 Travaux pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.6.1 TP 9 : Les lois de la réflexion et de la diffraction . . . . . . . . . . . . . . 162.6.2 TP 10 : Les spectres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6.3 TP 11 : analyse du spectre du soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

II L’univers en mouvement et le temps 21

3 Mouvements et forces 223.1 La relativité du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.2 Quelques définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Première partie

Exploration de l’espace

3

Chapitre 1

De l’atome aux galaxies

1.1 La physique : définitionActivité 1 (sous forme de discussion) : Qu’est ce que la physique ?

1.2 Présentation de l’universActivité 2 (sous forme de discussion) :1. Quels sont les objets étudiés par la physique ?2. Les classer selon leurs tailles.

4

CHAPITRE 1. DE L’ATOME AUX GALAXIES 5

Du noyau atomique aux galaxies, les longueurs vont de 10−15m à 1025m. De plus, on noteque la matière est essentiellement constituée de vide, i.e. la matière ne représente qu’une petitepart de l’espace. Cela se vérifie aussi bien à l’échelle du système solaire (entre la planètes) qu’àl’échelle atomique (entre le noyau et les électrons.

Lors de la description des objets de notre environnement aux grandes et aux petites échelles,on se trouve confronté à 2 problèmes :

– l’expression, ou l’écriture, de ces longueurs– la mesure de ces longueurs

1.3 L’écriture des longueursLa physique nécessite que l’on sache écrire et comparer des longueurs très différentes. Pour

cela , on utilise les unités du système légal (le mètre et ses multiples) et les puissances de 10. Lesgrandeurs sont écrites en utilisant l’écriture scientifique, et on compare deux longueurs à l’aidedes ordres de grandeur.

1.3.1 Les puissances de 10Une puissance de 10, est un 1 suivi ou précédé de beaucoup de zéros. On a :

10n = 1 0...00︸︷︷︸n zeros

et 10−n = 0, 0...00︸︷︷︸n zeros

1

Pour multiplier et diviser des puissances de 10, on utilise les règles suivantes :

10n.10m = 10n+m et10n

10m= 10n−m

Compléter le tableau suivant :

103.108 103

108

103.10−8 103

10−8

10−3.108 10−3

108

10−3.10−8 10−3

10−8


1.3.2 Les différentes unités10−15 10−14 10−13 10−12 10−11 10−10 10−9 10−8 10−7 10−6

femto pico nano microfm pm nm µm

10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100 = 1 101 102 103

micro milli centi déci mètre déca hecto kiloµm mm cm dm m dam hm km

103 104 105 106 107 108 109

kilo méga gigakm Mm Gm

Effectuer les conversions suivantes :

17, 5mm → µm 345.10−6m → µm569km → dm 0, 021.104cm → dam0, 00124hm → m 0, 005.10−6µm → fm3, 4Gm → Mm 1hm → m175.105µm → pm 656789mm → km

1.3.3 L’écriture scientifiqueOn écrit un nombre sous la forme a.10n avec 1 < a < 10. Écrire en notation scientifique les

nombres suivants :

17, 5 → 345.10−6 →569 → 0, 021.104 →0, 00124 → 0, 005.10−6 →3, 4 → 1 →175.105 → 656789 →

1.3.4 L’ordre de grandeurL’ordre de grandeur est la puissance de 10 la plus proche. Pour le trouver, on écrit le nombre

en écriture scientifique a.10n avec 1 < a < 10. Si a < 5, alors l’ordre de grandeur est 10n, sia > 5 l’ordre de grandeur est 10n+1. Trouver l’ordre de grandeur de chacune de ces valeurs (onsuppose qu’elles sont toutes initialement déjà en mètres) :

17, 5m → 345.10−6m →569m → 0, 021.104m →0, 00124m → 0, 005.10−6m →3, 4m → 1m →175.105m → 656789m →

1.3.5 bilanMaintenant, exprimer l’ordre de grandeur en mètres de chacune de ces longueurs :


17, 5km → 345.10−6Mm →569µm → 0, 021.104cm →0, 00124nm → 0, 005.10−6dm →3, 4Gm → 1dam →175.105mm → 656789fm →

1.4 La mesure des longueurs

1.4.1 Mesures directes et indirectesPour mesurer une longueur, on peut :– soit la mesurer directement à l’aide d’un instrument approprié (règles, etc. . . voir TP la

mesure en physique)– soit la mesurer indirectement si l’objet se trouve trop loin, ou est trop petit ou trop grand

pour être mesurer directement.Dans la mesure indirecte on mesure une autre longueur, un angle, ou une durée et on remonte àla longueur désirée par le calcul.

1.4.2 Mesure à l’échelle humaineLa parallaxe

On utilise le théorème de THALES (Cf TP 1).

Le sonar

On mesure l’intervalle de temps t mis par un signal de vitesse v pour effectuer un aller-retourjusqu’à un objet. On a alors la distance d à l’objet qui est telle que d = v × t. (Cf TP 3)

1.4.3 Mesure de petites distancesLe microscope

Les microscopes optiques utilisent les propriétés des lentilles (loupes) pour donner une imageagrandie d’un objet. La microscopie a été développée fin XVIIème siècle par les biologistes pourobserver les petites parties du corps humain. Les microscopes permettent d’observer des objets dela taille du micromètre. Il existe maintenant des microscopes à force atomique et des microscopesélectroniques qui permettent de voir des objets beaucoup plus petits ( < nanomètre).

Exemple de méthodes indirectes

:– l’expérience de Franklin : mesure de la taille d’une molécule (en DM).– mesure de la taille d’un cheveu par diffraction (TP 2).

1.4.4 Mesure de grandes distancesIl n’existe que des méthodes indirectes, par exemple :– mesure distance terre-lune. (TP 3 Sonar)– mesure du diamètre de la terre par la méthode d’Eratosthène (en exercice)


1.5 Travaux pratiques

1.5.1 TP 1 : la parallaxe

La parallaxe

TP de PHYSIQUE

Objectifs du TP : -mesurer une longueur de manière indirecte. -exprimer une mesure avec les bonnes unités et le nombre de chiffres si-gnificatifs adéquat.

Matériel : - Papier, carton et épingles.

EXPERIENCE ☺ Comprendre le principe de la méthode de la parallaxe

Parallaxe entre les deux yeux

On souhaite déterminer la distance H séparant un observateur au bord de la paillasse d’un point situé sur le robinet.

☺ Principe : Placer une règle horizontalement à une distance h de vos yeux. Fermer l’œil droit et viser avec l’œil gauche un point précis de l’objet en l’alignant avec le zéro

de la règle. Sans bouger la tête, ni la règle, viser le même point avec l’œil droit et repérer la graduation d

de la règle qui se trouve dans l’alignement. Mesurer, le plus précisément possible, la distance D entre les deux pupilles.

☺ Exploitation : Résumer la situation sur une figure géométrique en faisant apparaître les dis-

tances H, h, D et d. En déduire la distance H en utilisant le théorème de Thalès. Faire une mesure à la règle., soit H’ la distance mesurée. Comparer H et H’.

EXPERIENCE Vous disposez d’un carton et d’épingles. Mesurez la distance D entre le bord de votre table et le robinet de la table en face en utilisant la méthode de la parallaxe, à l’aide du carton et des épingles. Expliquez le protocole et schématisez la situation sur votre feuille.

D


1.5.2 TP 2 : mesure du diamètre d’un cheveu

2nde TP 2

Mesure du diamètre d'un cheveupar diffraction

L’épaisseur d’un cheveu est une grandeur trop petite pour être mesurée directement avec un appareil de mesure simple, on utilise donc des mesures indirectes.

I. Expérience 1 : Mesure par « agrandissement » à l'aide du projecteur 1. Proposer un protocole expérimental pour mesurer l’épaisseur d’un cheveu.2. Faire un schéma illustrant le principe de la mesure.3. Calculer l’épaisseur du cheveu utilisé.

II. Expérience 2 : Mesure par comparaison : • On peut déterminer une grandeur que l’on ne peut pas obtenir de façon directe en la comparant à des grandeurs

connues : on utilise ce que l’on appelle une courbe d’étalonnage.• On utilise ici une propriété de la lumière (ici, celle produite par un LASER): la DIFFRACTION

ATTENTION : Il ne faut jamais regarder directement la sortie d’un laser. Le faisceau laser est très intense et s’il pénètre dans l’œil, il peut endommager gravement la rétine et conduire à la cécité.

II. 1. Étude du phénomène de diffraction :Lorsque la lumière rencontre un obstacle de très petite dimension, la lumière ne se propage plus en ligne droite, on dit que la lumière est diffractée par l’obstacle. Le phénomène de diffraction intervient lorsqu’on intercale sur le trajet de la lumière une ouverture petite ou encore un obstacle.

Expérience : On éclaire un écran avec un laser. On interpose des fils verticaux de largeurs différentes sur le trajet du faisceau laser.

Questions :1. Qu’observeton lorsque l’on réduit la largeur de l’obstacle ?2. Représenter la figure de diffraction observée sur l’écran.3. On remplace le fil par une fente. Que constateton sur l’écran ?

II. 2. Utilisation du phénomène pour la mesure du diamètre du cheveu :1. Placer la diapositive dans laquelle est inséré un fil calibré de diamètre 40m dans son support, ainsi que

l'écran blanc.2. Disposer l'ensemble comme cicontre.

3. Allumer le laser et dessiner l'allure de la figure obtenue sur l'écran.

4. Mesurer la largeur d de la tache centrale et porter la valeur dans un tableau comme cidessous.

5. Faire le même travail successivement pour des fils de diamètres différents:

Épaisseur e du fil (en m ) 40 60 80 120Dimension d de la tache centrale (en mm)

6. Tracer la courbe d = f(e) sur une feuille de papier millimétré (d en ordonnés, e en abscisses). La courbe obtenue est une courbe d’étalonnage.

7. Fixer un cheveu tendu sur un cadre de diapositive. Interposer ce cheveu sur le trajet du faisceau laser.8. Mesurer la largeur d de la tache centrale.9. Utiliser la courbe d'étalonnage pour déterminer l’épaisseur du cheveu utilisé.

15 cm

ecran

laser

diapo

1,00 m cm

Laser


1.5.3 TP 3 : le sonar

2nde TP 3

TP Mesure de distance

Principe du sonar

Pour mesurer certaines distances il est parfois plus pratique d'utiliser la mesure d'un temps. On

pense par exemple à la distance Terre-Lune qu'il paraît difficile de mesurer à l'aide d'une règle. Si on

connaît la vitesse de propagation d'un signal et que l'on connaît le temps mis par ce signal pour aller

jusqu'à un objet, on peut alors déterminer la distance nous séparant de cet objet.

1. Mesure de la vitesse des ultrasons dans l'air

Réaliser un schéma du montage et repérer les éléments suivants :

� émetteur ultra-sons

� récepteur ultra-sons

� oscilloscope

� générateur

Indiquer sur le schéma la distance d entre le récepteur et l'émetteur.

L'émetteur envoie une salve d'ultrasons qui est reçue par le récepteur situé à une distance d .

1. Placer le récepteur à une distance de d�50 cm de l'émetteur.

2. Allumer le générateur ; observer et dessiner l'allure du signal obtenu sur l'écran de

l’oscilloscope. Il s’agit du signal émis par l'émetteur

3. Appuyer sur la touche "DUAL" de l'oscilloscope: la deuxième courbe apparaît (il s’agit du

signal reçu par le récepteur). Dessiner les deux signaux (émis et reçu), ne pas oublier la

légende.

4. Comment peut-on expliquer le décalage entre le début des deux signaux ?

5. Rappeler la formule de la vitesse avec v la vitesse des ultrasons, d la distance séparant

l'émetteur du récepteur et � t le temps mis par les ultrasons pour parcourir d .

6. Reproduire et compléter sur votre compte rendu le tableau suivant :

Distance parcourue par les ultrasons L ( m ) 0,15 0,25 0,35

Décalage horizontal en divisions.

Calibre (en ms/div)

Durée du décalage ( ms )

Vitesse de déplacement des ultrasons (m.s-1)

Vitesse moyenne

Vous préciserez bien sur votre compte rendu la valeur moyenne obtenue à l'aide des trois

expériences pour la vitesse des ultrasons.


2. Détermination d'une distance : le sonar

Lorsque l'on veut mesurer la distance qui nous sépare d'un objet lointain, on ne peut pas déplacer le récepteur à chaque fois au niveau de l'objet. L'émetteur et le récepteur sont par conséquent situés du même côté et on utilise l'écho renvoyé par l'objet.

1. Expliquez par un schéma le trajet effectué par le son.2. Mettez un livre à l'extrémité de votre table et régler l'ensemble de manière à observer à

l'oscilloscope les deux signaux (le signal émis et l'écho reçu).3. Mesurer le décalage de temps � t entre les deux signaux.4. A quoi correspond � t cette fois.5. Que doit-on modifier dans la formule précédente si on veut obtenir la distance d entre

l'émetteur et le livre ? 6. En déduire la distance d . 7. Vérifiez votre mesure à l'aide d'une règle. Commenter.

3. S'il vous reste du temps ...

Depuis 1969 plusieurs réflecteurs à coin au quartz ont été posés sur la Lune (5 à ce jour, 3 par les Américains et 2 par les Russes) et on les utilise régulièrement depuis cette époque afin de mesurer la distance Terre - Lune. Ils ont été posés de 300 à 500 pieds du LEM afin de réduire les possibilités de poussière soulevés par le départ du dernier étage du module lunaire. La précision des mesures augmente de manière continue avec les progrès de la science. Les premières mesures prises après la deuxième guerre mondiale à l'aide du radar avaient une précision de l'ordre de ±1 km. Plus tard avec l'arrivée des premiers lasers, la précision s'était améliorée et s'approchait de ±15 cm. Aujourd'hui elle doit avoir été réduite à ±1 mm

� Sachant qu'une impulsion laser nous revient après 2,56 s et que la vitesse de la lumière est de 300 000 km.s

�1 , quelle est la distance de la Terre à le Lune ?

Réflecteur au quartz laissé par la mission Apollo

14 en 1971

objet

d

Émetteur

Récepteur

oscilloscope

Chapitre 2

Messages de la lumière

Nous percevons le monde qui nous entoure notamment grâce à la lumière. Une analyse pluspoussée va nous permettre d’obtenir encore plus de renseignements comme la distance, la tem-pérature ou la composition chimique des corps célestes.

2.1 Quelques propriétés de la lumière

2.1.1 Rappelsla lumière a déjà été étudiée en collège. On rappelle brièvement que :

– La lumière est émise par une source lumineuse primaire : soleil, ampoule, feu, etc . . .– Nous voyons les objets grâce à la lumière qu’ils réfléchissent, on parle de source secondaire.– La lumière blanche est constituée d’une multitude de couleurs, c’est une lumière polychro-

matique.– La vitesse de la lumière c = 300000km.s−1 est la plus grande vitesse possible dans l’Univers.– Dans un milieu homogène et transparent la lumière se propage en ligne droite. On parle

aussi de propagation rectiligne.

2.1.2 La longueur d’ondeUne description précise de la lumière fait aujourd’hui appel à la Mécanique Quantique, évi-

demment ici hors programme. Selon les cas, au lycée on considère la lumière soit comme uneonde, soit comme un flux de particules (les photons).

En seconde, nous considérons que la lumière est un rayonnement, c’est-à-dire un ensemblede radiations. Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d’onde λ. Si il n’y a qu’uneradiation, le rayonnement est monochromatique, sinon il est polychromatique.

12

CHAPITRE 2. MESSAGES DE LA LUMIÈRE 13

2.2 Voir loin c’est voir dans le passé

2.2.1 L’année lumièrePuisqu’elles sont gigantesques, nous utilisons la distance parcourue en un an par la lumière

pour parler des distances dans l’Univers. Cette distance vaut environ :

1 année lumière = 1 a.l. ' 1013km

Exercice :

Retrouver la valeur précise d’une année lumière.

2.2.2 Voir dans le passé

Voir loin c'est voir dans le passé

« Nous savons aujourd'hui que, comme le son, la lumière se propage à une vitesse bien déterminée [..] d’environ trois cent mille kilomètres par seconde, un million de fois plus vite que le son dans l'air. Il faut bien reconnaître que, par rapport aux dimensions dont nous parlons maintenant, cette vitesse est plutôt faible. A l'échelle astronomique, la lumière progresse à pas de tortue. Les nouvelles qu'elle nous apporte ne sont plus fraîches du tout !Pour nous, c'est plutôt un avantage. Nous avons trouvé la machine à remonter le temps ! En regardant « loin », nous regardons « tôt ». La nébuleuse d'Orion nous apparaît telle qu’elle était à la fin de l’Empire romain, et la galaxie d’Andromède telle qu’elle était au moment de l'apparition des premiers hommes, il y a deux millions d'années. A l'inverse, d'hypothétiques habitants d’Andromède, munis de puissants télescopes, pourraient voir aujourd'hui l'éveil de l'humanité sur notre planète... »

Patience dans l'azur, Hubert Reeves (Éditions du Seuil).

1. Écrire la vitesse de la lumière avec un chiffre significatif et en déduire la vitesse du son2. Déterminer à quelle distance de la Terre se trouve la nébuleuse d’Orion en km. (On date la fin de l’Empire

romain à l’année 476) 3. Si une étoile explosait aujourd’hui dans cette nébuleuse, à quelle date en serions nous informés ?4. A quelle distance de la terre se trouve la galaxie d’Andromède en année lumière ?5. Expliquer la phrase « … d’hypothétiques habitants d’Andromède[…] pourraient voir l’éveil de l’humanité sur

notre planète. »

L’étoile la plus proche du Soleil est Proxima du Centaure. Elle est située à environ 4 annéeslumières de notre système solaire, sa lumière met donc 4 années à nous parvenir. Ainsi lorsquenours regardons Proxima du Centaure dans un téléscope nous la voyons telle qu’elle était il y a4 ans. Et plus nous regardons loin, plus nous regardons dans le passé. La limite de ce qu’il estpossible d’observer aujourd’hui s’appelle l’horizon cosmologique.


2.3 Un système dispersif : le prismeLe prisme va nous permettre d’analyser la lumière. Pour comprendre comment le prisme agit

sur la lumière, il faut d’abord définir l’indice de réfraction puis étudier les lois de Snell-Descartes.

2.3.1 L’indice de réfractionDans un milieu transparent la lumière à une vitesse inférieure à sa vitesse c dans le vide. On

définit alors un milieu transparent par son indice de réfraction n tel que :

n =c

v

n indice de refraction sans unitec vitesse de la lumiere dans le vide en m.s−1

v vitesse de la lumiere dans ce milieu en m.s−1

Par définition, l’indice de réfration du vide est donc n = 1. On prend également l’indice deréfraction de l’air égal à 1 pour l’ensemble des radiations.

2.3.2 les lois de Snell-Descartes⇒ C.f. TP 9

Lors de la rencontre d’un obstacle, une partie de la lumière est réfléchie. L’angle réfléchi estégal à l’angle d’incidence.

⇒ schéma

Lors de la traversée de la surface de séparation entre deux milieux transparents d’indice n1 etn2, la lumière change de direction, elle se réfracte. L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfractioni2 sont tels que :

⇒ schéma

n1 sin(i1) = n2 sin(i2)

⇒ Exercices d’application

2.3.3 Le prismeUn prisme est un bloc de verre à 2 faces triangulaires. L’indice de réfraction de ce verre varie

en fonction de la longueur d’onde. On écrit n = f(λ). Cela signifie qu’une radiation bleue neva pas être déviée comme une radiation rouge. Le prisme va dévier différemment les radiationsmonochromatiques qui composent la lumière blanche. On dit qu’il disperse la lumière blanche.


2.4 Les spectresL’essentiel du cours est traité dans le TP 10 sur les spectres.

2.4.1 Les spectres d’émission– Lorsqu’un corps est chauffé, il émet de la lumière.– Si il s’agit d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz sous haute pression le spectre de cette

lumière est continu. Plus la température du corps est élevée, plus le spectre est riche enviolet.

– Si il s’agit d’un gaz sous basse pression, on obtient un spectre de raies d’émission. Le spectreest caractéristique des entités chimiques qui composent le gaz.

2.4.2 Les spectres d’absorptionSi on fait le spectre d’une lumière blanche qui a traversé un gaz chauffé sous faible pression

on observe des trais noirs dans le spectre. Des radiations ont été absorbées par les élémentschimiques du gaz et ces radiations correspondent à celles que le gaz aurait émis. On parle d’unspectre de raies d’absorption, et celui ci est caractéristique d’une espèce chimique.

Visualisation de l’animation flash : spectres.swf

2.5 Application à l’astrophysique : la composition du Soleil

2.5.1 Le principeOn réalise le spectre de la lumière venant d’une étoile afin de déterminer sa composition

chimique et sa température.

2.5.2 Le spectre du Soleil

Le soleil est composé de plusieurs couches. Dans la chromosphère les conditions sont réuniespour qu’un phénomène d’absorption ait lieu. Sur Terre on va décomposer la lumière du Soleilafin de déterminer les éléments chimiques présents dans le Soleil.

⇒ C.f. TP 11


2.6 Travaux pratiques

2.6.1 TP 9 : Les lois de la réflexion et de la diffraction

�tude de la reflexion et de la refraction

TP Physique

Lorsqu’un rayon de lumiere rencontre un miroir, il est reflechi. D’autre part, lorsqu’un rayon de

lumiere change de milieu, c’est-a-dire passe par exemple de l’air a l’eau, sa direction de propagation est

modifiee. On dit que le rayon est refracte. Ces deux phenomenes seront pour nous l’occasion d’aborder

une demarche de modelisation en Sciences Physiques.

1 La reflexion

1�1 Dispositif experimental

Fig� 1 – montage experimental

1�2 Mesures experimentales

Avec le faisceau, viser le miroir, en dirigeant le faisceau perpendiculairement a la face en son cen-

tre et verifier que l’on observe pas de deviation dans ce cas. Dans le cas contraire regler le zero du

montage.

Faites ensuite varier l’angle d’incidence i de 5 en 5 puis mesurer les valeurs correspondantes de l’angle

de reflexion r a la sortie du cylindre. Realiser un tableau.

angle incident i 0 5 . . .

angle reflechi r . . .

Travail �

Tracer un graphique et verifier que la loi de la reflexion i = r est verifiee.

2 La refraction

2�1 Dispositif experimental

FIG. 2 - montage experimental FIG. 3 - schematisation

1


On definit un certain nombre de grandeurs qui vont nous permettre de realiser une etude duprobleme :

– �e dioptre, qui est la surface plane separant l’air et le plexyglas– la normale, qui est la droite perpendiculaire a la surface de separation entre les deux milieux– l’angle d’incidence, qui est l’angle entre la rayon incident �i.e. le rayon entrant) et la normale– l’angle de refraction, qui est l’angle entre le rayon refracte �i.e. le rayon sortant) et la normale

Travail �

Identifier sur le schema, puis sur le montage, ces trois grandeurs.

2�2 Mesures experimentales

Faites varier l’angle d’incidence de 5 en 5 puis mesurer les valeurs correspondantes de l’angle derefraction a la sortie du cylindre. Realiser un tableau.

angle incident i� 0 5 . . .

angle refracte i2 . . .

2�3 Sur les traces de Kepler

Johannes Kepler �1571-1630) Avec des mesures semblables aux votres, le physicien allemandKepler juge que l’angle de refraction est proportionnel a l’angled’incidence si les angles ne sont pas trop grands.

1. Tracer la courbe i� = f�i2)

2. l’angle incident et l’angle refracte sont-ils proportionnels ?

3. Sur quel intervalle la loi de Kepler , i� = n�i2 semble-t-elleverifiee ?

4. n est l’indice de refraction du milieu, calculez n.

5. A l’aide du tableau suivant, deduire le materiau utilise pourfabriquer le demi-cylindre :

Materiau Verre Cristal Plexiglas Diamant

n 1,5 1,6 1,4 2,4

2�4 La loi de Descartes

Rene Descartes �1560-1650) Le physicien et philosophe Rene Descartes chercha une loi qui soitvalable quelque soit l’angle incident i�. Cette relation fait intervenirles sinus.

1. Tracer la courbe sin�i�) = f�sin�i2)).

2. sin�i�) et sin�i2) sont-ils proportionnels ?

3. Quelle relation, avec la valeur de n determineeprecedemment, existe-til entre sin�i�) et sin�i2), :

�a) sin�i�)�sin�i2) = n

�b) sin�i�) = n�sin�i2)

�c) sin�i2) = n�sin�i�)

Conclusion � � �

2


2.6.2 TP 10 : Les spectres.

Seconde � TP Physique n°10 Eri

LES SPECTRES Objectifs: Observer différents spectres d'émission et d'absorption.

• Pour analyser une lumière il faut la décomposer à l'aide d'un système dispersif: prisme ou réseau.

POSTE 1: DISPERSION DE LA LUMIERE BLANCHE PAR UN PRISME Manipulations: • Repérer les différents éléments du montage mais ne pas les déplacer. • Placer le prisme sur le trajet de la lumière et le tourner sur lui-même jusqu'à pour obtenir sur un écran le spectre de la lumière blanche. • Compléter le schéma en dessinant après le prisme les directions de la lumière la plus déviée et de la lumière la moins déviée. • Dessiner sur le schéma le spectre obtenu.

Texte à compléter avec les mots: dispersif, violet (2 ××××), rouge (2 ××××) , bande, décomposer, spectre, polychromatique, continue, blanche.

• Un prisme permet de …………… la lumière ………. provenant d'une lampe à incandescence et d'en obtenir le ……….. : le prisme est un système ………….. • Le spectre de la lumière blanche est constitué d'une ……….. colorée ………….. s'étendant du …….. au ……….: c'est un spectre …………………… continu. • Le prisme dévie davantage le ………… que le …………... POSTE 2 : DISPERSION DE LA LUMIERE BLANCHE PAR UN RESEAU – SPECTRE D'ABSORPTION • Un réseau est constitué d'une multitude de fentes parallèles et équidistantes. • Placer le carton avec la fente sur le rétroprojecteur. • Observer le réseau: positionner le réseau sur la lentille du rétroprojecteur de telle sorte que les traits du réseau soient parallèles à la fente (spectre horizontal). • Reproduire sur le schéma les spectres de la lumière blanche. • Positionner sur la moitié de la fente du carton un bécher rempli d'une solution bleue de sulfate de cuivre et observer. Faire de même avec la solution violette de permanganate de potassium. Texte à compléter avec les mots: rouge, violet, d'absorption, bandes noires, coloré, bleu-vert, absorbe, blanche, non absorbées.

• Le spectre de la lumière qui a traversé une solution colorée présente des ……….. ….. sur un fond ………..: c'est un spectre …………….. • Le spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium présente une bande noire dans les couleurs …………… : la solution …………… donc ces couleurs. • Une solution colorée absorbe une partie des couleurs de la lumière …………. La couleur de la solution résulte de la somme des couleurs …………………... • La couleur la plus déviée est le ………. et la moins déviée le ………….., contrairement au prisme.

rétroprojecteur

Carton avec fente

réseau

Ecran (ou mur)

lentille

Spectres de la lumière blanche

Spectre d'absorption d'une solution de sulfate de cuivre

Spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium

écran prisme fente

lampe

Lentille (f ' = 20 cm)

Spectre de la lumière blanche


Seconde � TP Physique n°10 Eri

POSTE 3 : SPECTRE D'EMISSION D'UN GAZ CHAUFFE – SPECTRE DE RAIES • On dispose de deux lampes spectrales au mercure - cadmium (Hg – Cd: couleur bleue clair) et au sodium (Na: couleur orange). • Observer le spectroscope: boite noire. Repérer la fente et le réseau. On placera l'œil derrière le réseau. La fente est dirigée vers les lampes spectrales. • Observer les spectres des deux lampes en utilisant le spectroscope . • Dessiner l'allure des spectres visualisés. Texte à compléter avec les mots: raies colorées, nanomètre, gaz, noir, identifier, caractéristiques, monochromatique, longueur d'onde, raies d'émission, 400 nm , rouge violet , 800 nm.

• Le spectre de la lumière émise par un …… à basse pression soumis à une décharge électrique est constitué de ….. …………. sur un fond …….: c'est un spectre de ……………………... • Les raies colorées sont ………………….. du gaz et permettent de l'…………………. • A chaque raie colorée correspond une radiation …………………. à laquelle est associée une ……………………. λ déterminée et exprimée en …………………. • Pour la lumière visible λ est comprise entre ……… dans le ……….. et ……….. dans le …………...

POSTE 4: SPECTRE D'EMISSION DES CORPS CHAUFFES • On modifie la température du filament de tungstène de la lampe à incandescence en faisant varier l'intensité du courant qui le traverse, avec un alternostat. • Observer le spectre de la lumière blanche avec le spectroscope noir (voir description sur le poste 3), lorsque l'alternostat est en position maximale. • Tourner le bouton de l'alternostat et observer les modifications sur le spectre. • Dessiner l'allure du spectre dans chaque cas. Texte à compléter avec les mots: bleu – violet , température, chaud, continu , riche, grande, couleur, blanche, violet au rouge, jaune au rouge, rouge-orange;

• Un corps ……….. émet de la lumière. • Le spectre d'émission du corps chauffé est ……………. et d'autant plus ………. en couleur ………… que la température du corps est …………. • La ………….. de la lumière émise par le corps chauffé nous renseigne sur la ………………… du corps. • Lorsque la lumière émise est ……………., le spectre présente toutes les couleurs du ……………………. • Lorsque la lumière émise est ……………….., le spectre présente les couleurs allant du ………………..

oeil spectroscope

Lampe spectrale

réseau fente

Spectre de la lampe Na

Spectre de la lampe Hg - Cd

oeil spectroscope

Lampe de bureau

réseau fente

alternostat

Spectre lorsque la lampe brille peu

Spectre lorsque la lampe brille fortement


2.6.3 TP 11 : analyse du spectre du soleil

TP 2nde Identification d'entités chimiques dans l'atmosphère du soleil

1. OBJECTIFS Déterminer les longueurs d'onde de certaines raies d'absorption dans une partie du spectre du Soleil. Identifier les entités chimiques présentes dans la chromosphère, enveloppe gazeuse entourant le Soleil.

2. DOCUMENT« Le spectre du Soleil est continu mais strié de nombreuses raies sombres d'absorption. Dès 1814, le physicien allemand Frauhofer remarque la présence de raies noires dans le spectre du Soleil. L'ensemble de ces raies constitue le spectre de Fraunhofer. Le rayonnement continu provient d'une couche superficielle, très chaude du Soleil : la photosphère. Ce rayonnement subit une absorption sélective par les éléments chimiques présents dans la chromosphère, enveloppe de gaz à très faible pression qui entoure le soleil. L'étude du spectre du Soleil permet donc de connaître la composition de la couronne solaire. 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.»

Le document cicontre représente:

a) en noir et blanc, un extrait du spectre visible du Soleil. Les principales raies d'absorption (repérées par un numéro) sont représentées par un trait noir ;

b) un extrait du spectre de raies d'émission de l'argonobtenu avec le même spectroscope. Ces raies servent de référence de longueur d'onde.

3. EXPLOITATION DU DOCUMENT3.1 Mesures Étude du spectre de l'argonMesurer les distances L, en mm, entre la raie d'émission de 390 nm et les autres raies d'émission.

Longueur d'onde en nmλ 390

distance L en mm 0

Étude du spectre du SoleilMesurer les distances, en mm, entre la raie d'émission de 390 nm et les différentes raies d'absorption du spectre du Soleil. Réaliser un tableau contenant la distance de chacunes des 15 raies.

3.2 Questions 1) Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer?2) Quel est l'intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff.3) Tracer, sur papier millimétré, le graphique donnant en fonction de L pourλ les raies d'émission de l'argon.4) En déduire, à l'aide de la courbe d'étalonnage, les longueurs d'onde des raies d'absorption du spectre du Soleil.5) À partir des données figurant dans le tableau ciaprès (tab. 1), associer à chaque raie d'absorption l'entité chimique (ion ou atome) présente dans l'atmosphère du Soleil.6) Montrer, par un schéma simple, la raison pour laquelle on n'obtient que le spectre d'absorption de la chromosphère, enveloppe de gaz entourant le Soleil.

Deuxième partie

L’univers en mouvement et le temps

21

22

CHAPITRE 3. MOUVEMENTS ET FORCES 23

Chapitre 3

Mouvements et forces

3.1 La relativité du mouvement

3.1.1 Introduction

La relativité du mouvement

Isaac est dans sa classe sur terre. Il peut converser avec son ami Albert, lui aussi dans sa classe, mais sur la lune.A l’aide de téléphone par satellites et afin d’éclaircir certains problèmes, ils discutent de différentes choses à propos du mouvement. Voici un extrait de leur conversation :

«(Albert) -C’est marrant Isaac le tableau noir dans ta classe, il bouge. (Isaac) -Non, non Albert, le tableau dans ma classe ne bouge pas….(Albert) -Ah si Isaac, pour moi il bouge. Quel est ce mystère ?(Isaac) -Et si je lâche une balle ?(Albert) -Elle bouge…(Isaac) -Donc là, on est d’accord elle tombe en ligne droite.(Albert) -Heu… à vrai dire non. Elle bouge, mais moi je la vois décrire un genre

d’arc de cercle… »

Nous allons tenter de résoudre ce problème.

A propos du tableau qui est dans la classe d’Isaac:1. Isaac voit-il le tableau bouger? Bouge-t-il pour Albert ?2. L’un des deux a-t-il raison ou tort ? 3. Comment expliquer cette différence à propos du mouvement d’un objet?4. Que faudrait-il faire pour qu’il n’y ait plus de confusion possible. Pouvez vous proposer

une solution simple qui permette d’être certain du mouvement d’un objet.5. Un objet peut-il être immobile de manière absolue, c’est-à-dire immobile pour n’importe

quelle personne qui l’observerait ?→ Essayez de rédiger une conclusion sur la description du mouvement.

A propos de la balle lâchée par Isaac :6. Quel est le mouvement de la balle observé par Isaac ?7. Quel est le mouvement de la balle observé par Albert ?8. L’un des deux a-t-il raison ou tort ? 9. D’où provient cette différence entre les deux visions d’un même mouvement?10. Un mouvement peut-il alors être décrit sans précaution, indifféremment de l’endroit où

l’on se trouve ?→ Essayez de rédiger une conclusion sur la description du mouvement.

CHAPITRE 3. MOUVEMENTS ET FORCES 24

Conclusion : Le mouvement d’un objet n’a de sens que « par rapport »à un autre objet priscomme corps de référence.

3.1.2 Quelques définitions– Référentiel : un référentiel est composé de 3 axes et d’une origine par rapport à laquelle

on étudie le mouvement. Il comporte également une horloge qui permet de mesurer letemps. Les 3 référentiels les plus courants sont le référentiel terrestre (mouvement d’unvéhicule), le référentiel géocentrique (mouvement de la lune, d’un satellite) et le référentielhéliocentrique (mouvement des planètes).

– Trajectoire : ensemble des positions successives occupées par un corps au cours de sonmouvement. Une trajectoire peut être rectiligne, courbe, circulaire...

– Vitesse : elle dépend du référentiel d’étude et on a v = dt .

Lorsque l’on parle de mouvement, on parle de trajectoire et de vitesse. Le mouvement peutêtre accéléré, décéléré ou uniforme. On parle donc de mouvement rectiligne uniforme, circulaireaccéléré, etc . . .

Documents

Cours de physiquecours.physique.free.fr/IMG/pdf/LeCours.pdf · CHAPITRE 1. DE L’ATOME AUX GALAXIES 5 Du noyau atomique aux galaxies, les longueurs vont de 10 15mà 1025m. De plus,