identification éléments chimiques - Académie de Nancy-Metz

Résolution de problème
Composition de l’atmosphère du Soleil
Auteur : Rachel Perrin ; [email protected]
Niveau
: Seconde
Thème
: Univers
Activité documentaire
Origine du sujet
: Académie de Nancy-Metz
Programme de seconde
Notions et contenus
Les étoiles
Les spectres d’émission et d’absorption : spectres
continus d’origine thermique, spectre de raies.
Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un
ion.
Caractérisation d’une radiation par sa longueur
d’onde.
Compétences attendues
Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre
d’émission
ou
d’absorption
une
radiation
caractéristique d’une entité chimique.
Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et
dans le vide une radiation monochromatique.
Interpréter le spectre de la lumière émise par une
étoile : température de surface et entités chimiques
présentes dans l’atmosphère de l’étoile.
Connaître la composition chimique du Soleil.
Résolution de problème
Document 1
Composition de l’atmosphère du Soleil
Quand la matière absorbe de la lumière
La matière peut émettre de la lumière. Le contraire est également vrai : la matière peut absorber de la lumière. En astronomie,
http://astro-canada.ca/_fr/
c'est souvent le cas lorsque de la lumière blanche, peu importe sa source (ce peut être la surface
du Soleil ou d'une étoile
quelconque), traverse un mince nuage de gaz ou de poussière. Ainsi, au lieu de voir un spectre continu allant du rouge au violet,
les astronomes observent un spectre auquel il manque plusieurs raies de couleur ; des raies sombres prenant leurs places.
En 1814, l'opticien allemand Josef Von Fraunhofer remarque aussi les mêmes raies noires dans le spectre de la lumière solaire.
Ignorant leur signification, il se met quand même à mesurer leurs positions et en catalogue 324.
Ce n'est qu'en 1859 que le physicien allemand Gustav Robert Kirchhoff comprend que les raies noires de Fraunhofer
correspondent exactement à des raies brillantes émises par certains éléments chimiques. Selon lui, les raies noires sont dues à
des éléments chimiques spécifiques qui, présents dans l'atmosphère d’une étoile, absorbent certaines raies spectrales émises
depuis sa surface.
D’après http://astro-canada.ca/_fr/
Document
SSpectre 2
Spectre de raies d’émission de l’élément chimique Krypton et courbe d’étalonnage utilisés par
un astronome amateur
En prenant comme référence la valeur de la longueur d’onde  = 390nm, il est possible de mesurer la position L de plusieurs raies
caractéristiques du Krypton. Pour chaque raie étudiée, les valeurs des longueurs d’onde correspondantes étant connues,
l’astronome amateur a pu tracer une droite d’étalonnage.
Document 3
Spectre d’absorption du Soleil observé par ce même astronome amateur
Problème
Réalisé avec le même spectroscope et dans les mêmes conditions que pour obtenir le spectre du krypton, l’astronome
amateur utilise toujours la référence : L = 0cm pour une longueur d’onde de 390nm.
Les raies pouvant être exploitées sont : A, B, C, D (raie double), E, F, G et H.
Document 4
Longueurs
d’onde (nm)
Entité
chimique
Longueurs d’onde, exprimées en nm de certaines raies caractéristiques de quelques éléments chimiques
Hydrogène
(H)
434
486,1
656,3
Sodium
(Na)
589,0
589,6
Magnésium
(Mg)
470,3
516,7
Calcium
(Ca)
422,7
458,2
526,2
527
Ion calcium
(Ca2+)
393,4
396,8
Fer
(Fe)
438,3
489,1
491,9
495,7
532,8
537,1
Titane
(Ti)
466,8
469,1
498,2
Manganèse
(Mn)
403,6
Dioxygène
(O2)
686,7
762,1
Intéressé(e) par les travaux de cet astronome amateur, vous souhaitez déterminer à votre tour les entités chimiques
présentes dans l’atmosphère du Soleil à partir des observations et mesures réalisées.
Problème :
Quelles sont celles que vous pouvez ainsi identifier? Pouvez-vous affirmer qu’elles proviennent toutes de
l’atmosphère du Soleil?
Pour construire et développer votre argumentation, vous mobiliserez vos connaissances et vous vous aiderez de
tous les documents fournis. La qualité de la rédaction, la structuration de l’argumentation, l’analyse critique des
résultats, la rigueur des calculs, ainsi que toute initiative prise pour mener à bien la résolution du problème seront
valorisées.
Un exemple de schéma de résolution
(vidéoprojeté lors de la correction)
Faire le lien entre les raies noires
d’absorption et les entités chimiques
Déterminer la position de chaque raie noire
étudiée du spectre d’absorption du Soleil
Placer ces positions sur la courbe
d’étalonnage pour en déduire les longueurs
d’onde correspondantes
Attribuer à chaque raie les entités chimiques
impliquées, sachant que si un élément est
présent, on doit retrouver toutes les raies
correspondantes (mais attention, toutes les
raies du spectre d’absorption n’ont pas été
étudiées).
Identifier les entités chimiques mises en
évidence ici et donc sûrement présentes
dans l’atmosphère du Soleil.
Aides pour les élèves
S'APPROPRIER
Niveau A : l'élève s'approprie la problématique et parvient à extraire les informations utiles des différents
documents seul ou avec une ou deux interventions du professeur, concernant des difficultés identifiées et
explicitées par l'élève, ou bien concernant des difficultés non identifiées par l'élève et auxquelles il apporte une
réponse quasiment de lui-même.
Niveau B : l'élève a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante avec quelques interventions
du professeur concernant des difficultés ou erreurs non identifiées par l'élève mais résolues par celui-ci.
Le professeur propose à l'élève :
- Une reformulation plus précise de la problématique,
- Une question préalable permettant de l'aiguiller et de lui faciliter l'appropriation du problème.
Par exemple ici, on peut les aider en posant une des deux questions suivantes :
 Pourquoi est-il nécessaire de réaliser le spectre d’absorption du Soleil pour en déduire les entités chimiques
présentes dans son atmosphère?
 Comment la courbe d’étalonnage nous permet de déterminer la longueur d’onde de chaque raie à exploiter
du spectre d’absorption du Soleil?
Niveau C : l'élève reste bloqué dans l’avancement de la tâche demandée, malgré les questions posées par le
professeur. Des éléments de solutions lui sont apportés, ce qui lui permet de poursuivre la tâche.
Le professeur propose à l'élève :
- Deux questions préalables permettant de l'aiguiller et de lui faciliter l'appropriation du problème,
- Deux informations importantes extraites des documents.
Niveau D : l'élève a été incapable de réaliser la tâche demandée malgré les éléments de réponses apportés par le
professeur. Cette situation conduit le professeur à préciser à l'élève la problématique et à lui fournir toutes les
informations utiles des documents.
ANALYSER
Niveau A : l'élève a réussi à lier les différentes informations fournies par les documents et propose une stratégie
de résolution du problème (ou un schéma de résolution) seul ou avec une ou deux interventions du professeur,
concernant des difficultés identifiées et explicitées par l'élève, ou bien concernant des difficultés non identifiées
par l'élève et auxquelles il apporte une réponse quasiment de lui-même.
Niveau B : l'élève a réalisé l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante avec quelques interventions
du professeur concernant des difficultés ou erreurs non identifiées par l'élève mais résolues par celui-ci.
Le professeur propose à l'élève :
- Une relation, une donnée, ... importante à la résolution du problème,
- Une mise en relation de deux informations.
Niveau C : l'élève reste bloqué dans l’avancement de la tâche demandée, malgré les questions posées par
l’examinateur. Des éléments de solutions lui sont apportés, ce qui lui permet de poursuivre la tâche.
Le professeur propose à l'élève toutes les relations utiles, dans le désordre, à la résolution du problème. À charge
de l'élève de les ordonner.
Niveau D : l'élève a été incapable de réaliser la tâche demandée malgré les éléments de réponses apportés par le
professeur. Cette situation conduit le professeur à fournir à l'élève le schéma de résolution du problème.
Les compétences REALISER, VALIDER et COMMUNIQUER sont évaluées dans la trace écrite produite par l'élève.
Évaluation de la
copie n°
Exemples d’indicateurs de réussite pour le niveau A
A
Niveaux de réussite
B
C
D
S’approprier
2
Analyser
2
Réaliser
2
Valider
Communiquer
La communication est claire, cohérente avec un vocabulaire scientifique précis.
Les calculs sont effectués à partir de formules littérales, dans un langage mathématique correct.
Aide à la notation :
- Majorité de A : note entre 4 et 5 (majorité de A et aucun C ou D : 5) ;
- Majorité de B : note entre 2 et 4 (uniquement des B : 3) ;
- Majorité de C : entre 1 et 3 (uniquement des C : 2) ;
- Majorité de D entre 0 et 2 (uniquement des D : 0 ; dès qu’il y a d’autres niveaux que le D : 1 ou 2).
6
La note finale résulte d’une analyse du tableau avec l’aide à la notation utilisée mais la décision finale relève de l’expertise du professeur.
Note
Évaluation de la
copie n°
S’approprier
Analyser
Exemples d’indicateurs de réussite pour le niveau A
A
Niveaux de réussite
B
C
D
Problématique précisé : on cherche à déterminer les entités chimiques présentes dans le Soleil.
-Doc. 1 : permet de montrer que les raies noires d’un spectre d’absorption d’une étoile sont
dues à des éléments chimiques spécifiques, présents dans l’atmosphère du Soleil qui absorbent
certaines radiations émises depuis sa surface.
-Doc. 2 : permet de faire la correspondance entre longueur d’onde d’une raie d’absorption et
position dans le spectre.
-Doc. 3 : donne le spectre du Soleil et la mesure des positions des raies noires permettra de
déterminer la longueur d’onde de chaque raie absorbée.
-Doc. 4 : permet d’attribuer les entités chimiques aux raies noires d’absorption.
2
2
Voir schéma de résolution
Mesure des positions des raies
Réaliser
Raies
A
B
C
D
(double)
E
F
G
H
L(cm)
13
10,5
9,4
7 et 7,1
3,4
1,4
0,3
0,1
G
H
395
390
A partir de la courbe d’étalonnage, évaluation des longueurs d’onde
D
Raies
A
B
C
E
F
(double)
(nm)
760
690
650
590-595
490
430
2
A partir du document 4, attribution des raies
Valider
Communiquer
Raies
A et B
D
C, E et F
G et H
Entité chimique
dioxygène
sodium
hydrogène
Ion calcium
D’après les mesures, 4 entités chimiques peuvent être mises ici en évidence : le dioxygène, le
sodium, l’hydrogène et l’ion calcium. Concernant le dioxygène, on ne peut pas affirmer qu’il
provienne de l’atmosphère du Soleil. En effet, les mesures ont été réalisées sur Terre, la lumière
a donc aussi traversé l’atmosphère terrestre et on sait que le dioxygène est présent dans cette
atmosphère.
La communication est claire, cohérente avec un vocabulaire scientifique précis.
Les calculs sont effectués à partir de formules littérales, dans un langage mathématique correct.
Note
7