TP Source chaude ML - lagouge@ecole
publicité
Première S Nom : …………………. Coéquipier : …………………. Y A-T-IL UNE RELATION ENTRE LA COULEUR D’UNE SOURCE CHAUDE ET SA TEMPERATURE ? Objectif : On sait qu’une source chaude émet une lumière polychromatique que l’on peut décomposer (lors d’une expérience de dispersion par un prisme ou un réseau) en un spectre continu. On se propose dans cette activité de chercher à savoir : a) Si toutes les longueurs d’onde du spectre sont émises avec la même intensité b) S’il existe une relation entre la couleur de la source et sa température I Spectre d’une lampe à incandescence cache noir A. Expérience On branche une lampe à incandescence recouverte d’un papier calque (25 W ; 12 V) aux bornes d’un générateur de tension réglable. On fait varier l’intensité qui traverse le filament de la lampe du maximum au minimum en observant simultanément la couleur de la lumière émise par le filament et l’allure du spectre à l’aide d’un spectroscope spectroscope Les observations sont faites collectivement avec un logiciel spécialement adapté permettant d’observer le spectre d’une source quelconque B. Observations On se propose de noter en fonction de la tension d’alimentation d’une part la couleur de la source , d’autre part l’allure du spectre correspondant. Tension électrique Basse (5V) Moyenne (7V) Maximale (10-12V) Couleur du filament Allure du spectre Description du spectre observé : ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… C. Questions Répondez aux questions ci-dessous en justifiant Q1 : Plus la température de la source lumineuse est grande, plus le spectre s’enrichit … … dans les radiations de petites longueurs d’onde … dans les radiations de grandes longueurs d’onde Violet vert jaune rouge T augmente Q2 : A température élevée, la lumière émise par la source chaude est : … rouge 400 nm … bleue 800nm λ augmente … blanche Ecole Alsacienne – Activité- TP – Première S Page 1 Première S Q3 : Interpréter cette situation. Situation Interprétation possible Une lampe de poche munie d’une pile neuve émet une lumière blanche et intense (le filament au tungstène de l’ampoule est chauffé à 2700 K ). Si la pile est usée (le filament n’est chauffé qu’à 1500 K), la lumière émise est peu intense, elle devient orangée puis rouge. Q4 : Couleur d’étoiles Bételgeuse et Bellatrix sont deux étoiles appartenant à la constellation d’Orion qui est très facilement visible dans le ciel des nuits d’hiver Bellatrix Bételgeuse La température de surface de Bételgeuse est de 3500 K. Celle de Bellatrix est de 28000 K. A priori, à ces températures, ces deux étoiles devraient apparaître blanches. Mais ce n’est pas cohérent avec l’observation puisque Bételgeuse est une étoile rouge et Bellatrix une étoile bleue.. On donne le spectre de ces deux étoiles : a) Décrire le spectre de ces deux étoiles (similitudes, différences) ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… b) En quoi les spectres ci-dessus permettent-ils d’interpréter la couleur observée des deux étoiles ? ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… Ecole Alsacienne – Activité- TP – Première S Page 2 Première S II Loi de Wien A. Description Intensité lumineuse Le graphe représentant l’intensité lumineuse émise en fonction de la longueur d’onde pour des corps de températures différentes. Questions a) Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité lumineuse à 3500K max = …………. à 5000 K. max = …………. b) De manière générale, que peut-on dire de la longueur d’onde ayant le maximum d’intensité lumineuse lorsque la température augmente ? ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… c) Un corps chaud émet-il toutes les radiations avec la même intensité ? ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… d) Tracer sur le graphe le domaine correspondant aux radiations visibles. e) Ces nouvelles données doivent vous permettre de trouver une explication pour la couleur des étoiles. Bételgeuse et Bellatrix ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… B. Relation entre T et λmax On se propose dans la suite de rechercher s’il existe une relation entre la température de la source et λmax, la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission dans le spectre Se connecter à : http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/planck/planck.htm Choisir T /K Abscisse : longueur d’onde et remplir le tableau de résultats suivants : 2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 11500 12500 13500 14500 λmax /nm Ecole Alsacienne – Activité- TP – Première S Page 3 Première S Questions a) Pour quelles températures minimale et maximale, le maximum d’émission se trouve-t-il dans le domaine du visible min = …………. miax= …………. b) Comment évolue λmax quand la température T augmente . ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… c) Quelle(s) relation(s) peu(ven)t éventuellement correspondre à cette évolution ? … λmax = A + B. T … λmax = A + B. T2 … λmax = A - B. T … λmax = A - B. T2 … λmax = A/T λmax = A/T2 d) On se propose de valider la bonne relation par l’étude graphique qui permettra de valider la relation. A l’aide d’un tableur, reporter les valeurs du tableau de résultats étudiés plus haut et faire l’étude graphique permettant d’une part de valider la relation entre λmax et T, d’autre part de déterminer les paramètres de la relation validée avec les unités normalisées. Joindre le graphe au compte rendu. Nature de la relation : …………………………………………………………………………………… Paramètre(s) de la relation : …………………………………………………………………………………… C. Utilisation de la loi de Wien Température de surface Soleil : 5500K Bételgeuse : 3500 K. Bellatrix : 28000 K Corps humain : 37°C Questions a) Calculer les valeurs de λmax pour les étoiles ci-dessus ou pour le corps humain Soleil =………….. beterlgeuse =………….. Bellatrix =………….. corps humain =………….. b) Conclure sur la couleur de ces étoiles et le domaine d’émission du corps humain. Est-ce conforme aux observations ? ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… Données A consulter : Pour établir le graphe : http://jf.noblet.pagesperso-orange.fr/noir2/noir3.htm http://media4.obspm.fr/public/FSU/temperature/rayonnement/corps-noir/spectre-corps-noir/SIMULER.html http://www.ostralo.net/3_animations/animations_phys_optique.htm => le rayonnement du corps noir Un bon résumé de l’ensemble du TP : http://jf.noblet.pagesperso-orange.fr/phy.htm# => température des étoiles Ecole Alsacienne – Activité- TP – Première S Page 4
