Lumieres colorees - couleur des objets

Fiche professeur
Thème : Observer
Partie 1 : Couleur, vision et image
Chap 3 : Les différentes sources
lumineuses. Cas des corps chauds
TP de Physique : Loi de Wien
Type d’activité : Activité expérimentale
Pré- requis :




Lumière monochromatique et polychromatique
Les différents types de sources lumineuses
Notion de longueur d’onde, domaine de longueur d’onde de la lumière visible.
Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile (température de surface et entités
chimiques contenues dans l’atmosphère de l’étoile).
 Lire un graphique pour en tirer une information.
 Distinguer couleur perçue et couleur spectrale.
 Puissance d’une lampe
Notions et contenus :
 Rayonnement soleil et corps noir
 Rayonnement dune lampe à incandescence
 Loi de Wien
Mots clés : longueur d’onde, corps noir, couleur d’un corps chaud, température d’un corps, spectre
Compétences spécifiques à cette activité :
Tracer des profils spectraux et exploiter la loi de Wien pour 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).
Compétences du programme :

mobiliser ses connaissances

formuler des hypothèses

confronter théorie et expérience

exploitation des résultats

exercer son esprit critique

avoir l’esprit d’initiative, curiosité

faire des schématisations et observations correspondantes

Utilisation des TICE
Autres compétences : I1- I4 – I5 – R1- R2- R3 – R4 – R5 – C2
Durée : 1 séance de TP (1H30)
Chap 3 : Les différentes sources lumineuses. Cas des corps chauds
Loi de Wien
TP 1èreS
Situation déclenchante
Les étoiles peuvent être de différentes couleurs
Bételgeuse
Rouge
Etoile
Couleur
Soleil
Jaune
Sirius
Blanche
Rigel
Bleue
Attribuer les températures aux étoiles correspondantes : 10 000 K – 3 000 K - 6 000 K - 15 000 K
La loi de Wien
A la fin du XIXème siècle, Max Planck établit la relation entre la longueur d’onde principalement émise par un corps
qui rayonne et sa température. Il participe ainsi à la naissance de la physique quantique. En 1893, Wilhem Wien
simplifie cette loi et l’exprime dans le cas du corps noir sous la forme suivante :






avec
 : longueur d’onde principalement émise par le corps en mètres (m)
T : température du corps en KELVIN (K).
.T = 3.10-3 m.K
Rappel : Le Kelvin est l’unité du système international de la température. La température T en Kelvin est
reliée à la température  en °C par la relation : T =  + 273,15
Activité 1 : Rayonnement du soleil et rayonnement du corps noir
A l’aide d’un tableur Excel tracer les courbes du rayonnement du corps noir (Puissance rayonnée en fonction de la
longueur d’onde) pour les trois valeurs de température proposées (T = 4 000 K, T = 5 000 K, T = 6 000 K) à l’aide du
tableau 1.
Corps noir
λ(nm)
4000K
5000K
6000K
300
0,3
3,3
16,5
350
0,8
6,1
24
400
1,4
8,7
29
450
2,2
10,8
31,3
500
2,9
12,1
31,5
550
3,4
12,6
30,2
600
3,8
12,7
28,1
650
4
12,3
25,6
700
4,1
11,6
23
800
4
9,96
18,1
900
3,7
8,24
14
1000
3,3
6,7
10,8
Tableau1:Puissances rayonnées par un corps noir pour différentes températures (SI)
Soleil
Sur le même graphe, tracer la courbe du rayonnement solaire à partir des valeurs du tableau 2. Comparer.
λ(nm)
300
325
350
375
420
450
470
500
550
600
700
800
1000
Puissance
rayonnées (SI)
3.2
7.6
16
20.6
35.6
37
37.1
36.2
33.5
30.1
21.7
15.9
9.9
Tableau 2 : Puissances rayonnées (SI) par le Soleil
1
Exploitation :
1-Comparer le profil spectral du Soleil à ceux du corps noir ; A quelle température peut-on estimer la surface du
Soleil ?
2-Utiliser la loi de Wien pour déterminer la température du Soleil.
3- Les étoiles sont classées selon leur température de surface. On parle de la classe spectrale d’une étoile.
Il existe 7 classes spectrales qui sont, par ordre de température décroissante : O, B, A, F, G, K, M. Les scientifiques
anglo-saxons utilisent la petite phrase « Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss Me » pour se souvenir de l’ordre.
Compléter, en utilisant la loi de Wien, le tableau suivant :
a)
classe
température
O
Longueur d’onde
principalement émise
couleur
exemple
30 000K
Bleue
Rares (dans Orion)
B
15 à 20 000K
Bleutée
Rigel
A
10 000K
Blanche
Sirius
F
7 000 à 8 000K
Jaunâtre
Etoile polaire
G
5 000 à 6 000K
Jaune
Capella
K
4 000K
Rougeâtre
Pollux
M
3 000K
rouge
Bételgeuse
Les longueurs d’ondes principalement émises correspondent-elles à la couleur de l’étoile ?
b) La loi de Wien permet-elle de connaitre la couleur réelle d’un objet chaud ?
c) La loi de Wien permet-elle d’expliquer pourquoi le ciel, éclairé par le soleil, est bleu ?
d) La couleur d’un objet est-elle due uniquement à sa température ?
Activité 2 : Rayonnement d’une lampe à incandescences
Une lampe à incandescence (12V, 25W), à filament de tungstène est alimentée par une tension réglable. Pour
différentes valeurs de la tension appliquée, mesurer l’intensité du courant et effectuer une acquisition de spectre.
Déterminer la valeur notée λmax de la longueur d’onde pour laquelle la puissance passe par son maximum sur chaque
profil.
Exploitation
1- Comment évolue la composition spectrale de la lumière émise par la lampe lorsque la puissance de la lampe
augmente ?
2- En appliquant la loi de Wien, déterminer la température du filament pour chaque profil spectral.
3- Conclusion : Comment varie la température de la lampe lorsque la puissance délivrée augmente ? Que peuton dire de la lumière émise par une lampe à incandescence en fonction de sa puissance ? Cette étude permetelle de faire un rapprochement avec la situation déclenchante du début ?
Activité 3 : Nous sommes tous des lumières !
La loi de Wien est valable également pour des températures très faibles, telle que celle d’un être humain.
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Pourquoi « sommes nous tous des lumières » ?
Pourquoi ne sommes-nous pas visibles dans le noir ?
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