Apprendre comme on aime

Spectres
Cours
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Exercices

1/ Le spectre de la lumière solaire est continu, il va du rouge au violet sans interruption.

Comprendre

Spectre
Etalement des différentes composantes d'une lumière afin de pouvoir les observer séparément
molécules ions chargé ou neutrespectre et longueur d'onde et fréquence
Spectre solaire

Le Soleil émet de la lumière de toutes les couleurs du visible. On dit que son spectre est continu car si on spectralise la lumière du Soleil( grâce à un prisme par exemple),on peut observer toutes les couleurs sans qu'il en manque aucune.
Pour pouvoir voir le spectre d'une lumière, on doit utiliser un dispositif qui va dévier de façon différente chaque couleur. On utilise un prisme ou un réseau pour spectraliser la lumière. Le premier va le faire grâce à la réfraction, le second grâce à la diffraction.

2/ On peut créer toutes les couleurs à partir des 3 rayonnements rouge,vert et bleu,on parle de synthèse additive.

Comprendre

Couleurs primaires
les couleurs que notre oeil capte pour former les autres: ce sont le rouge, le vert et le bleu
Couleurs secondaires
couleurs que l'on peut former par l'addition de deux couleurs primaires: jaune,magenta et cyan
sensibilité capteurs cone couleur oeil
Synthèse lumineuse

Notre oeil ne possède que 3 capteurs de couleurs et nous percevont pourtant beaucoup plus de couleurs que le rouge, le bleu et le vert. Si on éclaire un objet blanc avec 2 couleurs, ces couleurs vont se mélanger pour former une troisième couleur, on parle de synthèse additive car on additionne des couleurs.
Si on additionne toutes les couleurs, on obtient du blanc.

Synthèses lumineuses

Etant donné que notre oeil n'est équipé que de capteurs rouge, bleu et vert, on simplifiera généralement le rayonnement solaire en 3 couleurs: le rouge, le vert et le bleu. Les couleurs primaire correspondent aux couleurs captées par les capteurs à cônes qui reçoivent la lumière au fond de notre oeil.
Les couleurs secondaires sont les couleurs que les imprimantes utilisent. En synthèse additive, ce sont le cyan(vert + bleu), le magenta (rouge + bleu) et le jaune (rouge +vert).

Ostralo: pixels et synthèse additive

Appliquer

Synthèse soustractive

Dans une synthèse soustractive(comme pour une imprimante), couleurs primaires et secondaires sont inversées car on n'additionne plus des couleurs mais on les soustrait(on les absorbe).Les peintres ou les imprimantes utilisent la synthèse soustractive car chaque peinture (ou encre) va absorber certaines couleurs à la lumière diffusée par l'objet. Si on enlève toutes les couleurs, on obtient du noir.

Ainsi une imprimante va utiliser comme couleurs de base du cyan, du magenta et du jaune. Et on fait de même en peinture: le mélange du cyan et du jaune donne du vert.

Ostralo: Synthèses comparées

2/ Exercices

Appliquer

2/ Couleur Web 
(5 mn)

Choisis un élément avec un fond coloré sur la page actuelle et fais un clic droit dessus et choisis Identifier l'élément. Apparaît le code de la page Web que l'on peut modifier temporairement. Clique en bas à droite sur les chiffres après rgb et le carré coloré. Ces trois chiffres indiquent la proportion en couleur rouge (red), vert (green) et bleue(blue). Ces proportions vont de 0 à 255.On peut cliquer sur le carré pour choisir la couleur voulue.

Quelles sont les valeurs nécessaires pour créer du jaune? Conclue sur les couleurs primaires qu'il faut ajouter pour créer du jaune.

rgb(255,255,0) Le jaune est donc composé d'un mélange de rouge et de vert.

Quelles sont les valeurs nécessaires pour créer du magenta (mauve)? Conclue sur les couleurs primaires qu'il faut ajouter pour créer du mauve.

rgb(0,255,255) Le magenta est donc composé d'un mélange de rouge et de bleu.

Quelles sont les valeurs nécessaires pour créer du blanc?du noir?

rgb(255,255,255) Le blanc est donc composé de l'addition des 3 couleurs primaires.
rgb(0,0,0) Le noir est donc l'absence de lumière.

2/ Les couleurs ont-elle un secret pour toi?Animation 
(4 mn)

Analyse

2/ Deux mystères d'un coup 
(5 mn)

Le Soleil paraît blanc depuis l'espace. On sait que l'atmosphère terrestre disperse le bleu (envoie les rayons bleus dans toutes les directions au lieu de se laisser traverser).

Fais un schéma expliquant pourquoi le Soleil nous paraît jaune et le ciel, bleu.

3/ La lumière blanche est l'addition de toutes les lumières colorées du spectre visible.

Comprendre

Blanc
Couleur perçue par notre cerveau lorsqu'on mélange la même quantité de rouge,bleu et vert.
objet coloré et rayonnement absorbéondes monochromatique lumiere blanche prismefiltre coloré couleur jaune
La "couleur" blanche

Le Soleil émet toutes les couleurs que l'on peut distinguer dans l'arc-en-ciel. Nous avons dans notre oeil trois types de capteur de couleur, l'un est sensible au rouge, un autre au vert et un troisième au bleu.
Notre cerveau reconstitue les autres couleurs en analysant la proportion de rouge, vert et bleu qu'il reçoit. Quand il reçoit les trois dans les mêmes proportions comme dans le cas de la lumière solaire, il l'interprète comme du blanc. Si on ajoute l'ensemble des rayonnements colorés visibles, on obtient du blanc

Si on éclaire un objet avec un mélange de rouge, vert et bleu, tous les cônes vont être activé, le cerveau en conclut logiquement que l'objet perçu est blanc. Il n'existe donc pas de lumière blanche monochromatique(d'un seul type de rayonnement) donc le blanc n'est pas une couleur pour les physiciens. De même, le noir étant l'absence de lumière, il n'est pas considéré comme une couleur non plus.

Les objets colorés

Quand de la lumière frappe un objet, l'objet va absorber une partie de la lumière et la transformer en chaleur. Les objets colorés vont absorber en particulier une ou plusieurs couleurs et renvoyer le reste. La lumière renvoyée ne contiendra donc plus le même mélange de rouge, vert et bleu (RVB) et notre oeil ne la verra plus blanche mais colorée.Un poivron jaune va bien absorber le bleu et diffusera le vert et le rouge. Notre cerveau percevant un mélange de rouge et vert, le verra jaune.

Les colorants (ou teintures) sont des liquides où est dissoute une molécule qui donne de la couleur. Les pigments sont des substances qui ne sont pas solubles mais qu'on peut intégrer dans un liant pour donner de la couleur. Les pigments sont souvent sous forme de petits solides dispersés dans un liquide.

Objets colorés et lumière incidente

Les filtres colorés
Filtre coloré
matériau qui a la propriété d'absorber une partie des rayonnements et d'en laisser passer une autre.

Les filtres colorés permettent de colorer la lumière en ne laissant passer qu'une partie de la lumière. Un filtre rouge absorbera le vert et le bleur mais laissera passer le rouge et on observera que la lumière qui en sort est rouge.

Super filtres

3/ Exercices

Analyse

3/ Madame Mainverte 
(8 mn)

On dispose de deux pieds de haricots au labo, ils sont au bord de la fenêtre, où ils peuvent prendre le Soleil.

Quelle est la couleur de la lumière solaire? De quoi est-elle composée?

La lumière solaire est blanche, elle est composée de toutes les lumières colorées. On peut simplifier en disant qu'elle est composée des trois couleurs primaires bleue, verte et rouge.

La chlorophylle (mot composé en 1816 à partir du grec ancien khlôrós (« vert ») et phúllon (« feuille ») est le principal pigment assimilateur des végétaux photosynthétiques.Elle intervient dans la photosynthèse pour intercepter l'énergie lumineuse, première étape dans la conversion de cette énergie en énergie chimique qui permettra à la plante de pousser.

D'après la couleur verte du pied de haricot, quelles sont les couleurs primaires absorbées par le pied de haricot?

Etant donné qu'on voit la feuille verte, cela signifie qu'elle absorbe le bleu et le rouge et renvoie le vert.

Les filtres colorés laissent passer une seule couleur et absorbent les autres couleurs. On décide de mettre les deux pieds de haricots dans deux boîtes dont une est recouverte d'un filtre rouge (boîter)et l'autre d'un filtre vert(boîtev)

Quelle est la couleur du pied observé à travers chaque filtre?

Le pied sous le filtre rouge paraît noir car il absorbe la lumière rouge et l'autre paraît vert car on lui envoie de la lumière verte et qu'il ne l'absorbe pas(il la diffuse)

Pourquoi le pied de haricot de la boîte boîter pousse bien mieux que celui de la boîtev?

Car la plante a besoin de l'énergie lumineuse pour pousser

4/ La couleur d'une lumière monochromatique dépend de sa longueur d'onde.

Comprendre

Longueur d'onde
:c'est la distance que parcourt une onde quand elle vibre une seule fois
longueur d'ondespectre électromagnétiquedispersion lumière prismedifférentes longueurs d'ondes et couleurs
Lumière monochromatique

La couleur d'une onde lumineuse dépend de la vitesse à laquelle elle vibre. Plus elle vibre vite, plus elle sera perçue violette et moins elle vibre vite plus elle semblera rouge. Si elle vibre trop ou passez vite, notre oeil ne la percevra pas (comme les UV ou les infrarouges). Une lumière monochromatique est une lumière d'une seule couleur, comme son nom l'indique(mono= une seule, khrôma= couleur).Elle aura donc une vitesse de vibration précise et une longueur d'onde précise.

Lumière et spectre
Fréquence
La fréquence
est le nombre de vibrations par seconde, elle s'exprime en Hertz.
Signal sinusoïdal modulable

La fréquence est le nombre de vibrations par seconde, elle s'exprime en Hertz. Plus la longueur d'onde est grande, plus la fréquence est petite et inversement. On dira que la fréquence et la longueur d'onde sont inversement proportionnelles car plus l'onde vibre vite moins elle a le temps de parcourir une grande distance le temps d'une vibration.

Longeur d'onde (λ)
A part dans certains matériaux(qu'on appelle dispersifs), la lumière va à la même vitesse, quelque soit sa longueur d'onde. La fréquence et la longueur d'onde étant liées, on peut donc caractériser une onde par une des deux grandeurs.Par exemple, un rayonnement bleu aura une longueur d'onde deux fois plus petite qu'un rayonnement rouge parce que sa fréquence sera deux fois plus grande.

La lumière est une onde électromagnétique, tout comme les rayons X, les rayons gammas et les ondes radios. Notre oeil ne peut percevoir les ondes électromagnétiques que si elles ont une longueur d'onde entre 400nm et 800nm , les ondes dans cette plage font donc partie de la lumière visible ,les autres sont invisibles. Plus une onde vibre vite, plus elle possède d'énergie.

Couleur, longueur d'onde et fréquence

Appliquer

Qu'est ce que la lumière?
Longueur d'onde, fréquence et vitesse

Le temps nécessaire à ce que l'onde vibre une fois s'appelle la période(T). Pour savoir la distance que parcourt l'onde pendant ce temps, il suffit de la multiplier par la vitesse de l'onde (c = 3.108m/s pour la lumière).
λ= c.T

Etant donné que la période est l'inverse de la fréquence (T=1/f), la relation précédente peut aussi s'exprimer:
λ= c/f
Pour comparer deux ondes, il faut donc comparer leurs fréquences ou leurs longueurs d'ondes en vérifiant que les valeurs soient bien exprimées dans la bonne unité.

Rappels des multiple de longueurs pouvant être utiles dans l'expression des longueurs d'onde. 1 micromètre = 1 μm = 1.10-6 m
1 nanomètre = 1 nm = 1.10-9 m
1 picomètre = 1 pm = 1.10-12 m
1 femtomètre = 1 fm = 1.10-15 m

Analyse

Plus une onde vibrera vite, moins elle pourra parcourir de chemin en une vibration. Donc plus la fréquence d'une onde est grande, plus sa longueur d'onde est petite. On pourra calculer la longueur d'onde (λ) en fonction de la fréquence(f) si on connaît la vitesse de l'onde (c pour la lumière) λ = c/f

Energie d'une onde

L'énergie d'une onde est proportionnelle à sa fréquence, plus l'onde vibre vite, plus elle possède une grande énergie. On peut calculer l'énergie de l'onde grâce à la relation E = h.f
f est la fréquence
h est la constante de Planck (h= 6,62.10-34 m².kg/s).
L'énergie (E) s'exprime en Joules.



Pourquoi n'y a-t-il pas de laser blanc?

Quelles sont les lampes idéales pour faire pousser le corail?

4/ Exercices

Comprendre

4/ La couleur de la merImageVidéo ou Lien externe 
(5 mn)
absorption lumineuse par la mer

Quand une onde rencontre de la matière (par exemple une molécule), il arrive que la molécule l'absorbe et transforme l'énergie de l'onde en agitation. C'est pour cela que la lumière peut chauffer les objets (plus les molécules sont agitées plus la température est haute).
Les molécules d'eau ont tendance à absorber la lumière visible et certains rayonnements invisibles.

Parmi les rayonnements mentionnés en anglais sur l'image, quel est celui paraissant le moins absorbé? le plus absorbé?

Le rayonnement le plus absorbé semble être l'infrarouge car il paraît être absorbé dès le premier mètre. Le moins absorbé semble être le bleu .

Quel sera la couleur majoritairement représentée dans l'eau?

Ce sera le bleu qui va donner sa couleur à la mer.

4/ Médecine ondulatoireAnimation 
(9 mn)
4/ Vision en 3 couleursImage 
(6 mn)->Grandeurs et unités /1
absorption lumière cône

L’œil perçoit les couleurs grâce à trois récepteurs qu'on appelle les cônes. Le cerveau reconstitue les couleurs grâce à l'intensité perçue par chaque récepteur. L'image indique à quelle longueur d'onde sont sensibles les trois types de cônes présents sur notre rétine.

Quelle est la longueur d'onde où le cône récepteur du bleu est le plus sensible?Présenter clairement le résultat numérique(grandeur= nombre unité)

l = 425 nm environ

Même question pour le cône vert et le cône rouge.

lcône vert = 530 nm et lcône rouge = 570 nm

Le rayonnement le mieux parçu par l'oeil humain a une longueur d'onde de 555 nm

Quelle est la couleur de ce rayonnement?

C'est un lumière verte tirant sur le jaune

Pourquoi perçoit-on si bien cette lumière?Exploiter le document pour justifier votre réponse

Les cônes rouges et vert perçoivent bien cette longueur d'onde, l'information concernant la présence de cette lumière sera donc envoyée par deux voies différentes au cerveau et sera donc très bien perçue.

Appliquer

4/ Quelle lampe choisir pour mes orchidées?Image 
(8 mn)
spectre lampe raiesspectre chlorophylle

Les chloroplastes (cellules présentes dans les feuilles des plantes) sont des usines chimiques qui fonctionnent à l'énergie solaire.
Lorsque la lumière rencontre la matière, celle-celle-ci peut la diffuser, la transmettre ou l'absorber. Les substances qui absorbent la lumière visible s'appellent les pigments. Chaque pigment absorbe une gamme de longueurs d'onde différente.
Si on illumine un pigment avec de la lumière blanche, la couleur que nous verrons est celle que le pigment diffuse ou transmet le plus. Par exemple, un pigment absorbant toutes les longueurs d'onde paraîtra noir.

Quand une molécule de chlorophylle absorbe une onde, un des électrons de la molécule passe sur une orbitale (une couche) où il possède davantage d’énergie potentielle, il passe de l’état fondamental à l’état excité.
Seuls les ondes ayant exactement l’énergie nécessaire pour faire passer l’électron d’une orbitale à l’autre sont absorbés. Ainsi, l’énergie de la lumière est convertie en énergie chimique.
On se pose la question de la lampe idéale à utiliser pour faire pousser des plantes (voir l'illustration).

Sachant que chromos signifie couleur (en grec), quelle est la source lumineuse monochromatique ?

C'est le laser car on voit qu'il n'émet qu'une seule longueur d'onde (une seule couleur).

Une lumière monochromatique est-elle toujours colorée ?

Oui car le noir est l'absence de couleur et le blanc et les gris sont des mélanges de couleurs.

Une lumière colorée est-elle toujours monochromatique ?

Non, on peut réaliser une lumière colorée avec un mélange de couleur.

Les spectres d'origines thermiques sont obtenus avec un corps assez chaud pour émettre de la lumière.

Quelle est la différence entre les spectre d'origine thermique et les autres?

Les spectres d'origines thermiques contiennent toutes les longueurs d'ondes visibles alors que les autres ne contiennent pas toutes les couleurs.

De quoi sont composés les tubes néons?

De mercure (Hg) gazeux sous basse pression.

En l’absence de la poudre fluorescente comment percevrait-on la lumière issue des tubes ? (fais l’expérience). Conclue sur l'intérêt de cette poudre .

La lampe au vapeur de mercure envoie des UV et des rayonnements bleus, ce qui produit un éclairage peu agréable et nocif (UV). La poudre permet de créer une lumière plus naturelle qui va produire une meilleure vision des couleurs et ne pas nous exposer aux UV.

Selon le graphique, quelles seront les couleurs dont les plantes auront le plus besoin ?(celles qu'elles absorbent le plus)

La chlorophylle des plantes absorbe le violet/bleu et le rouge. Elles auront donc besoin de ces rayonnements pour pousser.

Indiquez quelles sont les lampes dont le spectre est le mieux adapté aux plantes.

Les DEL, les lampes fluorescente et les lampes à filament paraissent avoir un spectre adapté à la croissance des plantes.

4/ Fukushima vs RFMImage 
(12 mn)->Calcul /4
spectre électromagnétique lumière

La lumière fait partie des ondes électromagnétiques.Ces ondes ont des propriétés très différentes selon leurs longueurs d'ondes. Ces ondes (ou rayonnements) ne contiennent pas tous la même énergie, elle dépend de leurs fréquences(du nombre de fois où elles vibrent par seconde).

Calcule la fréquence d'un rayon g de longueur d'onde 0,001 nm. (1nm = 1.10-9 m) grâce à la formule.f = c/l Poser clairement un calcul avec les unités S.I

f = 3.108/ 0,001.10-9= 3.1020 Hz.

Calcule la fréquence d'une onde radio de longueur d'onde 1 m.

f = 3.108/ 1 = 3.108 Hz.

Traces un axe représentant la fréquence et places-y les rayons gammas et les ondes radios puis les autres ondes électromagnétiques.

Ultra signifie "qui dépasse la norme" et infra signifie "plus bas".

Pourquoi a-t-on baptisé les infrarouges et les ultraviolets de ces noms?(l'axe précédent est un élément de réponse)Justifier le sens d'un mot grâce à ses différents constituants.

Les ultraviolets sont les ondes invisibles qui ont une fréquence supérieure au violet (d'où le préfixe "ultra") et les infrarouges ont une fréquence inférieure à celle du rouge (d'où le préfixe "infra").

On calcule l'énergie d'une onde en multipliant sa fréquence par la constante de Planck ( h =6,62.10-34 m².kg/s).

Ecris la formule liant l'énergie et la fréquence sous forme littéraleLes grandeurs sont représentées par des lettres dans une formule littérale

E = h . f

Applique la formule précédente pour trouver l'énergie d'un rayon gamma et l'énergie d'une onde radio.

Egamma = 6,62.10-34. 3.1020 = 1,98.10-13 Joules
Eradio = 6,62.10-34. 3.108 = 1,98.10-25 Joules

Plus une onde contient d'énergie plus elle pourra en fournir à la matière et provoquer des transformations.

Comparer ces deux énergies et déduire lequel de ces deux rayonnements est le plus dangereux pour la santé.

Egamma /Eradio =1,98.10-13/1,98.10-25 = 1.1012 donc l'énergie du rayon gamma est mille milliard de fois plus grande que celle d'une onde radio, il est donc bien plus dangereux pour la santé. Pour ta sécurité, il est donc préférable d'écouter RFM(onde radio) que de te balader à Fukushima(réactions nucléaires->rayons gammas)

5/ Un objet chauffé va produire un spectre lumineux continu dont la longueur d'onde la plus intense est fonction de la température.

Comprendre

longueurs d'ondes émises en fonction de la température
Couleur et température
Vision infrarouge
Corps noir
objet idéal qui absorberait tout les rayonnements
Spectre continu
un spectre où il n'y a pas de rayonnement manquante (bande noire).

Tous les objets émettent des ondes électromagnétiques. Plus ils sont chauds plus ils émettent des rayonnement de hautes énergies, soit de hautes fréquences.
De la même façon, un morceau de métal à température ambiante émettra des infrarouges . Si on le chauffe, il émettra en plus de la lumière rouge puis de la lumière verte, puis bleue...La lumière émise sera donc de plus en plus blanche à mesure que le spectre s'enrichit des plusieurs couleurs.

Le Soleil, extrêmement chaud, émet des ultraviolets, rayonnement bien plus énergétiques que les infrarouges ou la lumière visible.

Lumière infrarouge

Appliquer

Kelvin
l'unité légale de mesure de la température, les kelvins sont proportionnelles aux degrés Celsius mais le 0 se situe à -273,15°C
Loi de Wien

La longueur d'onde majoritairement émise par un corps noir dépend de sa température. On pourra donc calculer la longueur d'onde émise par ce corps si on connaît sa température (et inversement)
λmax=2,9.10-3/T
Attention ,cette température est exprimé en Kelvin.Pour transformer des °C en K, on retiendra :
T° Celsius + 273,15 = TKelvin

Pourquoi la flamme brille? Satellite météo et longueurs d'onde

Analyse

température corporelle émotions

Par exemple,nous émettons en majorité des infrarouges mais si nous avons de la fièvre, nos molécules seront plus agitées du fait de la température et les infrarouges émis auront une plus grande fréquence(pas suffisant pour que nous commencions à briller malheureusement).

5/ Exercices

Comprendre

5/ Quelle couleur pour un objet chaud ?Matériel et protocole 
(5 mn)
Lampe
Rhéostat (résistance variable)
Prisme
Ecran

Met la température de la lampe au minimum et augmente la progressivement grâce au rhéostat.

Toutes les couleurs sont-elles présentes dès le début de l’expérience ?Décris précisément tes observations.

Non, on remarque surtout le rouge.

De quelles couleurs s’enrichit le spectre lumineux au fur et à mesure que l’on augmente la température de la lampe ?

Il s’enrichit de vert puis de bleu

L’intensité de la lumière émise par le filament de la lampe varie-t-elle à mesure qu'on augmente la température de la lampe?

Plus on augmente la température du filament, plus l'intensité lumineuse est forte.

La longueur d'onde des rayonnements apparus est-elle plus grande ou plus faible que celle des rayonnements du début?Compare deux longueurs d'onde de couleurs données.

Le bleu et le vert ont de plus faibles longueurs d'ondes que le rouge.

Complète la phrase suivante: "Plus un objet est chaud, plus il émettra des rayonnements de ....... longueurs d'onde (c'est à dire de .... fréquences )Associe la fréquence d'une onde lumineuse à sa couleur

Plus un objet sera chaud, plus il émettra des rayonnements de petites longueurs d'ondes (c'est à dire de grandes fréquences ).

Plus la fréquence d'un rayonnement est grande, plus il possède d'énergie.

Un objet chaud émettra donc des rayonnements de plus grandes ou plus faibles énergies qu'un objet froid?

Plus un objet sera chaud, plus il émettra d'énergie.

5/ Baptême de spectresImage 
(3 mn)
spectres raies continu

Associe le nom qui lui correspond aux trois types de spectres sur l'illustration .

spectre d'emission continu
spectre d'émission de raies
spectre d'absorption

A)spectre d'emission de raies, sûrement émis par un gaz à basse pression excité.
B)spectre d'absorption, obtenu quand on fait passer un spectre continu à travers un gaz qui absorbe certaines longueurs d'ondes
C)spectre d'émission continu, produit par un objet assez chaud pour rayonner dans tous le spectre visible

5/ Température de couleurImage 
(10 mn)
température de couleur et éclairement

Sur toutes les ampoules qu'on peut acheter dans le commerce se trouve une indication: la température de couleur, nous indiquant quelle sera la coloration de lumière émise par l'ampoule.
L'illustration nous montre la couleur que l'on percevra en fonction de la température de couleur de la lampe.

Cite deux couleurs chaudes et deux couleurs froides pour les peintres.

Le rouge et le jaune sont habituellement considérées comme des couleurs chaudes et le bleu et le vert comme des couleurs froides.

Le Kelvin est une unité de mesure de la température comparable au degrés Celsius. La seule différence entre ces unités est que le degrés Celsius a pour zéro la température de fusion de la glace alors que le Kelvin a pour zéro la température la plus froide qu'on puisse atteindre, le zéro absolu (-273,15°C).

D'après l'illustration, quelle est la couleur d'un objet à 1000 Kelvin? D'un objet à 9000 Kelvin?

Un objet a 1000 K (730°C) paraîtra rouge tandis qu'un objet à 9000 K (8730°C) paraît bleu.

Le bleu a-t-il une fréquence plus élevée ou plus basse que le rouge?

Le bleu a une fréquence plus élevée que le rouge. (et donc une longueur d'onde plus basse).

Pourquoi un objet plus chaud émet-il plus de bleu que s'il était plus froid?

Plus un objet est chaud, plus il va émettre des rayonnements de hautes énergies, donc de hautes fréquences(tirant vers le violet plutôt que vers le rouge). Un objet à la température ambiante va émettre des infrarouges puis à mesure qu'il va chauffer, il va émettre des rayonnements rouges puis verts puis bleus puis ultraviolets...

Analyse

5/ Thermomètre optiqueMatériel et protocole 
(35 mn)
lampe halogène
Réostat avec température indiquées
générateur
réseau + écran
papier millimétré
éventuellement spectromètre

Vous êtes ingénieur chez un fabricant d'ampoules, vous êtes sur un projet de variateur de luminosité et on vous demande d'estimer quelle est la température des ampoules (prototype halogène LW2) dans différentes positions. Grâce au dispositif de spectralisation fourni, faites les essais nécessaires..
Vous produirez un schéma légendé présentant votre thermomètre optique en l'assortissant d'explications sur son fonctionnement. Il vous est aussi demandé de produire un tableau où apparaîtront les différentes températures de l'ampoule halogène LW2 en fonction des positions choisies.

5/ Ca chauffe à Wien !Image 
(10 mn)
pyromètre température

La loi qui relie lmax à la température T est :
lmax.T = 2,9.10-3 m.K

Comment s’appelle cette loi ?

La loi de Wien en hommage au physicien qui l'a découverte en 1896

On donne la température relevée à la surface de quelques sources lumineuses :

Magma effusifFilament de tungstène Sirius (étoile)
Température (K)362050007250

Quelle est la couleur de chaque source de lumière ? Détailler le raisonnement adopté (calcul).

lmax = 2,9.10-3 /T donc le magma aura pour longueur d'onde dominante lmax = 2,9.10-3 /3620 = 8,01.10-7m = 801nm, ce qui correspond au rouge.
lfilament = 580nm ce qui correspond au jaune
lSirius = 385nm ce qui correspond au violet à la limite de l'ultraviolet.

Un pyromètre permet de mesurer la température d'un objet juste en enregistrant la lumière qu'il émet.Explique succinctement sur quel principe fonctionne un pyromètre.Une explication succinte est courte et claire.

Cet appareil doit spectraliser la lumière et comparer l'intensité de chaque longueur d'onde afin de connaître la plus intense. Il en déduit lmaxet peut en déduire la température de l'objet grâce à la loi de Wien.

6/ Un prisme peut disperser la lumière en ses différentes longueurs d'onde car chacune a un indice différent.

Comprendre

dispersion lumière prisme dispersion goutte arc en ciel
Dispersion par un prisme
spectre historique

Dans l'air ou le vide, toutes les longueurs d'onde vont à la même vitesse mais dans les milieux dit dispersifs, tels que le verre ou l'eau,la vitesse de l'onde dépend de la longueur d'onde. Ainsi, dans un prisme, les rayons de longueur d'ondes différentes auront donc un indice de réfraction différent et ne seront pas déviées de la même façon(loi de Cauchy). Dans un prisme, le rouge(n=1,52) sera bien moins dévié que le violet(n=1,54). C'est cette propriété qui leur permet de spectraliser la lumière blanche, c'est à dire de nous faire observer le spectre de la lumière(étalement des différentes longueurs d'onde qui composent la lumière).Les gouttes d'eau agissent de la même façon avec la lumière solaire lors de la formation d'arc-en-ciel

Arc-en-ciel Arc-en-ciel (très complet)

Appliquer

Pour spectraliser (observer le spectre) d'une lumière, on doit disposer d'un prisme ou d'un réseau.

7/ Quand la lumière passe à travers un gaz, certaines longueurs d'ondes sont absorbées.

Comprendre

BD absorption électron photonspectre d'émission et d'absorptionabsorption rayonnement UV atmosphèremolécules conjuguées et longueurs d'onde d'absorption
Absorption par les électrons des atomes
Spectre de raies
spectre composé de certaines longueurs d'ondes seulement.
Spectre d'absorption
un spectre obtenu par le passage d'une onde électromagnétique au travers d'un milieu qui absorbera certaines longueurs d'ondes

Un gaz est composé de molécules elles-mêmes composées d'atomes qui sont chacun constitués d'un noyau autour duquel tournent des électrons. Ces électrons n'ont que quelques trajectoires (appelées orbitales ou couches électroniques) possibles et ils sont par défaut proches du noyau.
Si un électron capte de l'énergie, il pourra s'éloigner du noyau et graviter sur une couche plus éloignée du noyau. Plus les électrons sont loins du noyau, plus ils contiennent d'énergie. Mais les électrons ne peuvent pas capter l'énergie de tous les rayonnements qu'ils croisent, il ne peuvent absorber de l'énergie qu'à la condition qu'elle ait exactement la valeur nécessaire pour qu'il monte sur une orbitale supérieure , pas plus ni moins. Si on fournit exactement la bonne quantité d'énergie à un électron, il pourra passer à une orbitale plus haute en énergie.

Un rayon de lumière de la bonne énergie(ie de la bonne fréquence) pourra donner à l'électron l'énergie nécessaire pour monter sur une orbitale supérieure. Ce faisant, le rayon lumineux sera absorbé en donnant son énergie à l'électron.

Chaque atome absorbera certains rayonnements caractéristiques et l'on pourra ainsi reconnaître la présence d'un atome uniquement grâce au spectre lumineux de la lumière qui l'a traversé. En voyant les fréquences absorbées par un gaz éclairé par derrière, on peut déterminer sa composition.
On pourra ainsi déterminer la composition de l'atmosphère des étoiles et des planètes. Un exemple d'absorption est notre atmosphère qui absorbe la majorité des UV émis par le Soleil.

Molécules colorées
Molécules conjuguées
molécules qui contiennent un enchaînement d'une double et d'une simple liaison

La plupart des atomes absorbent dans les UV et faiblement dans le visible.Dans une molécule, les atomes sont liés les uns aux autres par des doublets d'électron, qui peuvent eux aussi absorber la lumière. Ces électrons sont plus mobiles que les électrons de l'atome, surtout ceux des liaisons doubles. Ces électrons sont donc moins stables que les autres et vont donc réagir à des rayonnements dont l'énergie est plus faible( comme la lumière visible). C'est ce qui explique que les molécules avec des liaisons doubles vont plus souvent être colorées que les autres

Les molécules conjuguée sont des électrons extrêmement mobiles et instables (car ils bougent en permanence d'une double à une simple liaison).
Plus cet enchaînement est long, plus il y a d'électrons instables et moins l'énergie nécessaire pour les exciter est grande. On pourrait dire que :"Plus il y a de fous, moins il y a besoin d'énergie"
Donc plus la chaîne d'atomes conjugués est grande, plus la molécule va absorber vers le rouge (rayonnement visible de faible énergie parce que de faible fréquence).

Pourquoi le verre est transparent

Appliquer

Comment obtenir un spectre de raies

Pour connaitre la composition d'un gaz traversé par une lumière, il faut:
repérer les bandes noires sur le spectre (correspondant aux longueurs d'ondes que le gaz a absorbé.)
Comparer ces longueurs d'ondes au raies caractéristiques des éléments dont on suspecte la présence dans le gaz.
Déduire les atomes présents dans ce gaz.

Les prismes ne donnent pas des spectres dont la longueur d'onde est proportionnelle à la distance, il faudra utiliser un réseau pour ce faire.

Pour pouvoir correctement utiliser un spectre de raie et déduire une longueur d'onde inconnue, il faut définir l'échelle utilisée. L'échelle sera définie par le rapport entre deux longueurs d'ondes (Δλ) et la longueur qui les sépare (d). On appellera souvent ce rapport k, comme tous les coefficients de proportionnalités.
On aura donc k=Δλ/d.
Pour trouver quel est l'écart entre deux longueurs d'ondes, il suffira ensuite de mesurer la distance qui les sépare et la multiplier par k.

Analyse

mésomérie ou délocalisation des électrons
Mésomérie
Mésomérie
Possibilité par une molécule conjuguée de prendre plusieurs formes équivalentes où la double liaison est placée à des endroit différents.

La mésomérie désigne une délocalisation d'électrons dans les molécules conjuguées, que l'on représente par une combinaison virtuelle de structures aux électrons localisés appelées mésomères ou formes de résonance.

Du méthane donc de la vie sur Mars?

7/ Exercices

Comprendre

7/ Un atome tout excité Image 
(3 mn)
atome excité électron photon

Plus une couche(ou orbitale) est éloignée du noyau, plus les électrons qui l'occupent possèdent d'énergie potentielle.

Est-ce l'atome de droite ou de gauche qui absorbe des ondes lumineuses(ou photons)?

C'est celui de gauche, celui de droite réemet de l'énergie.

Quel est l'effet de cette absorption sur les électrons?

Les électrons vont monter sur des couches plus éloignée du noyau.

Comment les électrons vont-ils se débarasser de l'énergie en trop lorsqu'ils redescendent sur une orbitale plus basse?

Ils vont réémettre de la lumière.

Quelle est l'onde qui possède le plus d'énergie?

C'est l'onde orange (celle du haut) car elle vibre plus vite. Comme sa fréquence est plus élevée, elle contient plus d'énergie.

Pourquoi l'atome émet-il de la lumière de différentes longueurs d'onde?On justifiera grâce au fait que plus une orbitale est éloignée du noyau, plus ses électrons possèdent d'énergie

Un électron passant d'une couche à la suivante nécessitera moins d'énergie qu'un électron qui va franchir plusieurs couches.

7/ L'atmosphère de l'étoileImage 
(3 mn)
spectre étoile raie absorbtion

La figure jointe représente le spectre simplifié de la lumière d'une étoile.

Parmi les trois gaz A, B et C dont les spectres sont schématisés en-dessous lesquels sont présents avec certitude dans l'atmosphère de l'étoile?

Les atomes représentés par les spectres A (Na, Sodium) et C sont présents dans l'atmosphère de l'étoile.

7/ Le verre et sa transparenceVidéo ou Lien externe 
(10 mn)

Comment s'organisent les électrons autour du noyau?

Ils se répartissent par couche.

Les électrons ont-ils la même énergie selon les couches?

Plus la couche est éloignée du noyau, plus elle possède d'énergie.

A quelle condition un électron changera-t-il d'orbitale?

Si on lui donne exactement la bonne dose d'énergie(par exemple grâce à de la lumière), il peut monter sur une couche supérieure.

A quelle condition un atome absorbera-t-il un rayon lumineux?

Si les rayons lumineux ont la bonne énergie (la bonne fréquence).

7/ Tout le Soleil en un spectreImage 
(20 mn)
spectre lumineux étoile longueur onde
ElémentHydrogène (H)Oxygène (O)Magnésium (Mg)Sodium (Na)Mercure (Hg)
Longueurs d’ondes absorbées (en nm)434,0
486,1
656,2 
500,7518,4589,0404,7
546,1
577,0
579,1

La loi de Wien permet de connaître la température d’un corps grâce à son profil spectral :
lmax  =2,9.10-3/T
lmax , la longueur d’onde de plus forte intensité(en mètre)
T, la température en Kelvin

Eléments de la chromosphère

Pourquoi la lumière est-elle absorbée à certaines longueurs d’ondes?

L'atmosphère de l'étoile contient des atomes qui vont absorber certaines longueurs d'ondes en fonction de l'énergie de leurs couches électroniques.

Mesure avec précision les valeurs des cinq longueurs d’onde les plus absorbées.

408nm,432nm,490nm,520nm et 658nm

Compare ces longueurs d’ondes à celles présentes dans le tableau et déduis-en les atomes présents dans la chromosphère du Soleil.

408nm => peut-être du mercure ?
432nm peut-être de l'hydrogène ?
490nm peut-être de l'hydrogène?
520nm peut-être du magnésium?
658nm peut-être de l'hydrogène?
Au vu de ces raies, on va pouvoir affirmer qu'il y a de l'hydrogène dans l'atmosphère du Soleil et supposer qu'il y a du mercure et du magnésium.

Température de l’étoile

Modélise le profil spectral par une courbe comme si aucune longueur d’onde n’était absorbée.

On appelle cette opération "lisser la courbe"

Quelle est la formule qui nous permettra de calculer la température grâce à la loi de Wien ? reformuler la loi de Wien par une égalité équivalente

T = 2,9.10-3/ lmax

Mesure avec précision la longueur d’onde d’intensité maximale (lmax) ?

On a fait un lissage de la courbe pour plus de précision et il ressort que la longueur d'onde maximale est de 460 nm.lmax = 460 nm

Calcule la température du Soleil.(attention aux unités)

D'après la loi de Wien : T = 2,9.10-3/ lmax = 2,9.10-3/460.10-9 = 6300 K ce qui est une bonne approximation de la température du Soleil.

Appliquer

7/ Emission des élémentsAnimation 
(10 mn)
7/ Fraunhofer : le physicien solaire ImageAnimation 
(15 mn)
spectre d'emission et absorption Soleil raies raies Fraunhofer tableau raies absorption longueurs ondes

Le Soleil est une boule de gaz chaud et dense dont une couche externe est appelée photosphère(elle a une température de 5 780 Kelvin) . Autour de cette couche, l'atmosphère solaire, ou chromosphère, peut être assimilée à une couche gazeuse à basse pression, relativement froide.

Les astronomes ont remarqué dès le XVIIIème siècle la présence de fines bandes noires dans la lumière solaire. […]. Après quelques tâtonnements, ils ont compris que ces raies sombres trahissaient la présence d’éléments chimiques sur le trajet des rayons lumineux. Joseph von Fraunhofer fut le premier, en 1814, à observer ces disparitions de lumière et à les attribuer à un phénomène d’absorption par un gaz situé entre la source d’émission et l’observateur.
Fraunhofer a repéré les principales raies d’absorption du spectre solaire par des lettres (voir illustration).

Faire un schéma du Soleil en représentant les zones décrites dans le document.

constitution Soleil chromosphère

Observer la forme générale de l'intensité du rayonnement solaire enregistré par Fraunhofer. Quel type de source émet un tel rayonnement, un corps chaud ou un gaz excité?

Le spectre de la lumière émise est continu, comme celui d’un corps noir chauffé, il présente un maximum d’intensité pour une radiation située dans le domaine visible.

Quelle partie du Soleil est responsable de ce rayonnement ?

C’est la photosphère du Soleil qui est responsable de ce rayonnement car elle est très chaude.

Les raies sombre du spectre solaire sont-elles des raies d’émission ou d’absorption ?

Ces raies sombres sont des longueurs d'ondes ayant disparues du spectre émit par la photosphère, il s’agit donc d’un spectre d’absorption

Quelle partie du Soleil est responsable de ces raies ?

Ce phénomène d’absorption est du aux espèces chimiques(atomes et molécules) présentes dans la chromosphère (partie gazeuse) du Soleil

Quelles informations sur cette partie du Soleil peut-on en tirer ?

La connaissance des longueurs d’ondes des radiations absorbées (raies sombres) permet d’identifier ces espèces chimiques

En vous aidant du tableau et du spectre, identifier les principales raies d'absorption dans le spectre solaire et les espèces chimiques auquelles elles correspondent. Il est conseillé de faire un tableau comprenant une ligne pour la lettre de la raie d'absorption, une ligne pour la longueur d'onde et une ligne pour l'espèce chimique correspondante.

raies absorption Soleil

8/ Quand on donne de l'énergie à un gaz, il produira de la lumière à certaines longueurs d'ondes particulières.

Comprendre

atome excité électron
Spectre d'émission
un spectre reçu directement d'une source qui émet de la lumière
Localisation d'un mobileCe que la lumière nous enseigne
Emission d'un élement

Quand on donne suffisamment d'énergie à un atome, un de ses électrons va passer sur une orbitale plus éloignée du noyau. Quand il redescendra (souvent après quelques millisecondes) sur les orbitales plus stables proches du noyau, il réémettra de l'énergie sous forme de lumière.

L'énergie contenue par cette lumière correspond à la différence d'énergie entre les deux orbitales, elle va donc avoir une fréquence précise(donc une longueur d'onde précise).Comme chaque atome émet des fréquences qui lui sont propres, en comparant notre spectre à ceux qu'on connaît:On peut connaître la composition d'un gaz excité grâce aux longueurs d'onde des rayonnements qu'il émet.

Fonctionnement du laser

Il y a plusieurs moyens d'exciter un atome:
- par décharge électrique
- par absorption d'un photon (une particule de lumière)

Dualité onde particule de la lumière

La lumière est considérée parfois comme une onde et parfois comme une particule (un grain de lumière) appelé photon. Selon le phénomène considéré, on va plutôt la considérer comme l'un ou l'autre.

Les spectres en une page

Appliquer

Pour savoir quels sont les atomes présents dans un gaz excité, il faut comparer le spectre du rayonnement envoyé par le gaz excité et ceux des différents atomes susceptibles d'être présents dans le gaz.

8/ Exercices

Comprendre

8/ Charge d'une lampe à déchargeAnimation 
(12 mn)
Lampe à décharge (nécessite Java)

Cette animation montre l'excitation d'un atome grâce au électrons qui lui rentrent dedans dans une lampe à décharge (système utilisé dans les lampes fluo-compact, les néons...) . A la différence des photons(grains de lumière), les électrons ne disparaissent pas quand ils donnent leur énergie. Le chiffre sur l'atome indique l'état d'excitation dans lequel se trouve l'atome (1=stable, 2= un électron sur la 2ème orbitale, 3= un électron sur la 3ème orbitale).
Sélectionne un type d'émission continue. On va s’intéresser au mercure(Hg), choisis-le sur la droite et sélectionne "passer au ralenti".

Que se passe-t-il quand l'électron touche l'atome et lui donne une partie de son énergie?

L'atome devient plus excité (son numéro augmente), c'est-à-dire qu'un de ses électrons va passer sur une orbite plus haute.

Au bout d'un certain temps, l'atome redevient spontanément moins excité et se débarrasse d'une partie de son énergie sous forme de photons.

Tous les photons émis ont-ils la même énergie? Affiche le spectromètre pour t'en assurer.

Non, la plupart des photons émis sont des UV mais il y a aussi des photons violets, des bleus, des verts...

Quel est le rayonnement majoritairement émis par une lampe contenant du mercure? Pourquoi utilise-t-on ces lampes dans les cabines de bronzage

Une lampe au mercure émet beaucoup d'UV ce qui fait bronzer et peut à terme provoquer des cancers de la peau et endommager les yeux si on les regarde.Ces vingt dernières années, les nouveaux cas de mélanome(cancer de la peau) ont été multipliés par quatre chez les hommes et par trois chez les femmes.

L'énergie des photons dépend-elle seulement de la couche où arrive l'électron quand l'atome se désexcite?(utilise le diagramme de droite pour le savoir).

L'énergie des photons émis dépendra de la différence d'énergie entre les couches.

Que se passe-t-il si on diminue la tension de l'alimentation électrique à 1,5 V?

Les électrons n'ont plus assez d'énergie pour permettre à l'électron de passer sur une couche supérieure et l'atome n'émet plus de lumière.

Appliquer

8/ Absorption des élémentsAnimation 
(10 mn)
8/ Un H totalement illuminéAnimation 
(12 mn)
Hydrogène et lumière (nécessite Java)

Cette animation montre comment un atome d'hydrogène absorbe et réémet l'énergie lumineuse qu'on lui envoie. Les points lumineux voyageant de bas en haut sont des photons (des grains de lumière) qui auront la couleur à laquelle on les perçoit habituellement (sauf les UltraViolets et les InfraRouges qui seront faussement colorés).
Au centre de l'image se trouve un atome d'hydrogène.Tu peux modifier la vitesse de l'animation en bas.

Choisis le mode Prédiction-> Bohr

De quoi est composé la lumière blanche que l'on envoie sur l'atome d'hydrogène?

Elle est composée de photons de nombreuses couleurs.

A quel moment l'électron change-t-il de couche?

Quand il capte un photon, l'électron acquiert assez d'énergie pour monter sur une couche supérieure.

Absorbe-t-il tous les photons ou seulement ceux de certaines couleurs?

Il paraît ne capter que les photons ultraviolets.

A quoi correspond le nombre "n= ..." en bas à droite de l'atome?

Il correspond à la couche sur laquelle se trouve l'électron. n=1 correspond à la couche la plus proche du noyau, n=2, celle un peu plus écartée du noyau...

Affiche les niveaux d'énergie de l'électron.(n=1,2,3...représentent les orbitales, ou couches). L'énergie pour passer d'une orbitale à l'autre est représentée par la hauteur entre les couches. Un photon aura une grande énergie si sa "longueur d'onde" est petite.

L'électron a-t-il plus d'énergie quand il est proche ou éloigné du noyau?

Il possède plus d'énergie (potentielle) quand il s'éloigne du noyau.

Comment l'électron se débarrasse-t-il de l'énergie qu'il possède pour pouvoir retourner sur l'orbitale proche du noyau?

Il se débarrasse de l'énergie excédentaire en émettant un photon (grain de lumière).

De quoi dépend la couleur du photon qui sera émis par l'électron?

De la différence d'énergie entre les couches.

Affiche le spectromètre.

L'hydrogène émet-il des photons de n'importe quelle longueur d'onde?Justifie pourquoi grâce à la différence d'énergie entre les couches.

L'hydrogène n'émettra que des photons qui ont une énergie égale à la différence d'énergie entre les couches.

Analyse

8/ BD électronique 
(40 mn)

Faire une planche de BD avec l'histoire suivante

Un électron d'un atome de sodium se trouve sur la couche L.Il a envie d'aventure
Il capte un photon de la bonne énergie, de longueur d'onde 580nm
Il monte de deux couches.Il explore la couche
Il s'aperçoit qu'il est tout seul sur cette couche et s'ennuie
Il redescend sur la couche inférieure et se débarrasse d'un peu d'énergie en renvoyant de la lumière, ça l'amuse bien
Il descend encore d'une couche et renvoie encore un peu de lumière, il retrouve alors les autres électrons.
Trouver une chute ( ce qu'il dit aux autres électrons,ce qu'il fait en arrivant....)
L'énergie que possède l'électron devra être visible sur lui (par exemple un sac à dos ou le chargeur de son pistolet laser...)

8/ Evaluation 2Vidéo ou Lien externe
(10 mn)