Dossier : IV Partie : B Activité N°3

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Les spectres lumineux

I. Dispersion de la lumière blanche DOCUMENT N°1 : l’expérience historique de Newton DOCUMENT N°2 : dispersion de la

lumière par un prisme

En 1666, Isaac Newton réalisa la décomposition de la lumière du jour (lumière blanche) en utilisant un prisme. Sur l’écran, il observa un spectre reproduisant les couleurs de l’arc-en-ciel.

Avec une source de lumière blanche comme une ampoule à incandesence, on obtient le même spectre. Regarder la vidéo suivante : https://www.youtube.com/watch?v=w5GtWYGCdMA

DOCUMENT N°3 : spectre continu de la lumière blanche

La lumière blanche est constituée d’une infinité de radiations lumineuses s’étendant du violet au rouge. Elle contient toutes les radiations colorées visibles. Pour caractériser une radiation lumineuse, on utilise sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air notée λ (lambda) s’exprimant en nanomètres (1nm = 10-9 m)

1. Que montre l’expérience de Newton ?

2. Comment qualifier le spectre de la lumière blanche ?

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3. Comment expliquer que le prisme dévie la lumière ? On considère une radiation arrivant perpendiculairement sur la surface AB du prisme (doc.5). L’angle  vaut  = 35,00°. On considérera donc que les radiations ne sont déviées que par la deuxième surface en I. • La radiation monochromatique de la longueur d’onde dans l’air λrouge = 800nm correspond à la perception du

rouge. • La radiation monochromatique de la longueur d’onde dans l’air λviolet = 400nm correspond à la perception de la

couleur violette. L’indice de réfraction de l’air vaut nair = 1,000.

DOCUMENT N°4 : indices de réfraction de deux milieux en fonction de la longueur d’onde

DOCUMENT N°5 : schéma représentant le prisme

Le prisme dévie-t-il ces radiations de la même façon ?

Calculer alors selon la seconde loi de Snell-Descartes l'angle de réfraction de ces deux radiations. On rappelle cette loi : d'un milieu 1 d'indice n1 à un milieu 2 d'indice n2 on a la loi suivante avec les angles définis par rapport à la normale à la surface de séparation.

n1xsin(i1) = n2xsin (i2) a) Pourquoi la lumière n’est-elle pas réfractée au point E ?

b) Si on considère que le prisme est fait en verre flint, déterminer l’indice de réfraction de ce matériau pour les radiations rouge et violette.

c) On se place au point I où les « rayons » rouge et violet (couleurs limites du spectre de la lumière blanche) vont être réfractés. Quel est alors le milieu 1 ? Le milieu 2 ?

d) Ecrire la seconde loi de Snell-Descartes dans le cas de la radiation rouge.

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e) Quelle est la valeur de l’angle d’incidence i1 ? f) Calculer alors l’angle de réfraction i2,rouge de la radiation rouge. g) Ecrire la seconde loi de Snell-Descartes dans le cas de la radiation violette.

h) Calculer alors l’angle de réfraction i2,violet de la radiation violette.

i) Que peut-on alors conclure ? Comment expliquer le phénomène de dispersion de la lumière ?

II. Lumières colorées Toutes les sources de lumière sont-elles de même nature que la lumière blanche d’une ampoule à incandescence ?

DOCUMENT N°6 : Différents spectre lumineux

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4. a) La lumière émise par la DEL blanche est-elle polychromatique ? b) Quelle différence y-a-t-il entre le spectre de la DEL blanche et le spectre de la lumière blanche ?

5. Comment qualifier le spectre du laser rouge ? 6. Comment qualifier le spectre de la lampe fluorescente ?

III. Spectre de raies La composition du gaz présent dans certaines lampes, comme celles qui émettent de la « lumière noire » utilisées dans les soirées ou les détecteurs de faux billets, peut être déterminée en analysant la lumière qu’elles émettent.

DOCUMENT N°7 : obtenir le spectre d’une lampe spectrale Une décharge électrique permet d’exciter un gaz atomique et d’observer son spectre d’émission. Le spectre d’émission d’un gaz atomique est un spectre de raies : à chaque raie est associée une longueur d’onde d’émission.

DOCUMENT N°8 : lampe à vapeur de sodium DOCUMENT N°9 : spectre sodium sur ostralo.net

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7. Aller sur : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres.swf a) Cliquer sur « Raies de l’atome » et régler les curseurs « intensité du fond » et « intensité des raies » comme

sur le document N°9. b) Observer les spectres des éléments chimiques suivants : Hydrogène H, mercure Hg, lithium Li, carbone C.

c) Noter les différences présentées par ces spectres par rapport à celui de la lumière blanche. Justifier alors

leur appellation de spectres de raies.

8. Qu’est-ce qui différencie le spectre d’un élément chimique de celui d’un autre élément chimique ?

IV. Spectre continu d’origine thermique Les corps chauffés comme de la lave ou les filaments des lampes à incandescence, émettent de la lumière dont la couleur peut varier. Comment varie la couleur émise par un corps chauffé ?

DOCUMENT N°9 : différents corps chauffés

Coulée de lave Filament d’une lampe à incandescence

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Fer chauffé « à blanc »

A l’aide du logiciel spectres dans l’onglet corps noir, on peut simuler et visualiser le spectre d’un corps chauffé en fonction de sa température. La température ne s’exprime ici pas en °C mais en Kelvin K. 273 K = 0 °C 9. Régler la température à 5000 K (environ 4700 °C). Qu’observe-t-on ? 10. a) Diminuer alors la température à 2200 K (environ 1900 °C). Comment varie l’aspect du spectre par rapport à

celui de la lumière blanche ?

b) De quelle couleur apparait alors le corps chauffé appelé ici corps noir ? 11. a) Diminuer la température à 1000 K (environ 730 °C). Comment varie l’aspect du spectre par rapport à celui de

la lumière blanche ?

b) De quelle couleur apparait alors le corps chauffé appelé ici corps noir ? 12. Comment expliquer alors les différences de couleurs sur la coulée de lave ? 13. Le fer chauffé à blanc est-il plus chaud ou moins chaud que le filament de la lampe à incandescence ? Justifier.

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Bilan

Température Œil nu Spectre

1500 °C

2500 °C

5500 °C

14. a) Augmenter la température à 10 000 K (environ 9 700 °C). Comment varie l’aspect du spectre par rapport à

celui de la lumière blanche ? b) De quelle couleur apparait alors le corps chauffé appelé ici corps noir ?

15. Application en astrophysique :

Considérons 2 étoiles que l’on regarde dans le ciel à l’aide de jumelles. L’étoile A nous renvoie de la lumière plus bleutée que la lumière renvoyée par la l’étoile B qui nous parait rouge. Que pouvez-vous dire des températures de surface TA et TB des étoiles A et B ?