À PROPOS DE LA LUMIÈRE 1. PREMIÈRE EXPÉRIENCE On place perpendiculairement au faisceau lumineux et à quelques centimètres du laser, une fente fine et horizontale de largeur a. Un écran situé à une distance D de la fente, montre des taches lumineuses réparties sur une ligne verticale. La tache centrale plus lumineuse que les autres, est la plus large (voir figure 1 donnée en ANNEXE, à rendre avec la copie). 1.1. 1.2. Quel phénomène subit la lumière émise par le laser dans cette expérience ? λ L’angle (de la figure 1) est également donné par la relation : = a Avec la longueur d’onde et a la largeur de la fente (en m) relation (1) 1.2.1. Préciser l’unité de la longueur d’onde intervenant dans cette relation. 1.2.2. A partir de la relation (1) et en vous aidant de la figure 1 donnée en annexe, en déduire comment évolue la largeur de la tache centrale lorsqu’on réduit la largeur de la fente ? La tache augmente-t-elle lorsque la largeur a de la fente diminue ? Ou bien inversement ? Bien justifier la réponse. 1.2. En vous aidant de la trigonométrie, en vous aidant de la figure 1 donnée en annexe, exprimer tan en fonction de la largeur de la tache centrale et de la distance D. Attention, le triangle ABC est rectangle en B. Remarque. Si vous ne savez pas faire cette question, vous pouvez poursuivre. Il n’est pas utile d’y répondre pour la suite du sujet. L’angle étant faible, on pourra utiliser l’approximation tan . De la question précédente, on peut en déduire la relation = . On note cette relation : relation (2) 2.D 1.4. En utilisant les relations (1) et (2), montrer que la largeur a de la fente s’exprime par le relation : 2 D a= . Si vous n’avez pas réussi à trouver cette formule, vous pouvez l’utiliser pour la suite de la question. Calculer a (attention aux unités). On donne : = 38 mm D = 3,00 m et = 633 nm 2. DEUXIÈME EXPÉRIENCE On utilise dans cette expérience, comme milieu dispersif, un prisme en verre d’indice de réfraction n (voir figure 2 en ANNEXE à rendre avec la copie). On dirige, suivant une incidence donnée, le faisceau laser vers l’une des faces du prisme placé dans l’air. On observe que ce faisceau est dévié. Un écran placé derrière le prisme montre un point lumineux de même couleur (rouge) que le faisceau incident. 2.1. Quelle est la nature de la lumière émise par le laser ? S’agit-il d’une lumière monochromatique ou polychromatique ? Justifier votre réponse. 2.2. L’indice de réfraction du verre pour l’onde utilisée est n = 1,61. 2.2.1. Rappeler la relation qui lie l’indice de réfraction n d’un milieu à la célérité c de la lumière dans le vide et sa vitesse v dans le milieu considéré. 1 2.2.2. Donner la valeur de la célérité de la lumière dans le vide en unité officielle. 2.2.3. Des réponses données aux deux questions précédentes, en déduire la valeur de la vitesse v de la lumière dans le milieu considéré On donne le résultat en notation scientifique et en respectant le nombre de chiffre significatif. 2.3. Faire apparaître sur la figure 2 (donnée en ANNEXE à rendre avec la copie), les notions d’angle d’incidence, de réfraction, de normale, de surface de séparation, lors du passage du rayon laser de l’air dans le verre du prisme. 2.4. Le rayon du laser aborde la surface du prisme avec un angle de 40° par rapport à la surface de séparation air-verre. En déduire la valeur de l’angle de réfraction. Bien développer tous les calculs. On rappelle que l’indice de réfraction du verre pour l’onde utilisée est n = 1,61. On donne le résultat avec trois chiffres significatifs. 3. TROISIÈME EXPÉRIENCE On remplace la lumière du laser par une lumière blanche (figure 3 donnée en ANNEXE à rendre avec la copie). 3.1. Des spectres données sur les figures 5, 6 et 7 (données en ANNEXE à rendre avec la copie) laquelle observe-t-on sur l’écran ? 3.2. Placer sur l’axe horizontal (figure 4 donnée en ANNEXE à avec la copie), les 3 domaines suivants : Infra rouge, UV, visible,. Préciser les valeurs limites des longueurs d’onde dans le vide du spectre visible en précisant les couleurs limites concernées. 3.3. Les traits en pointillé (figure 3) correspondent aux trajets de deux rayons lumineux de couleurs respectives rouge et bleu. Tracer, en les identifiant clairement, ces deux rayons. On précise que la déviation d augmente quand la longueur d’onde diminue. lentille 4. QUATRIEME EXPÉRIENCE. Lors d'une séance de travaux pratiques, des élèves utilisent une lampe à vapeur de mercure. Les élèves réalisent la dispersion de la lumière émise grâce à un prisme prisme en verre. On obtient le spectre (figure 5 donnée en ANNEXE à rendre avec la copie). 4.1. Comment peut-on qualifier ce spectre ? Spectre d’émission ou d’absorption ? Continue ou de raies ? 4.2. Représenter l’allure du spectre d’absorption du mercure sur la Lampe à vapeur figure 6 (donnée en ANNEXE à rendre avec la copie). de mercure Soyez le plus précis possible. 4.3. La lumière d’une étoile présente le spectre suivant (figure 7 donnée en ANNEXE à rendre avec la copie). 4.3.1. Comment interpréter la présence de raies noires ? 4.3.2. L’atmosphère de cette étoile contient-elle du mercure ? d’autres éléments chimiques ? Justifier vos réponses. 2 ANNEXE (À RENDRE AVEC LA COPIE) C A B déviation d écran prisme FIGURE N°2 écran Lumière blanche prisme FIGURE N°3 3 FIGURE N°4 FIGURE N°5 FIGURE N°6 4