- enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA2
AUTEUR : Philippe Godts
Fiche d’expérience 2
La décomposition de la lumière
Objectif d’apprentissage
Utiliser différents procédés permettant de décomposer la lumière.
A. Utilisation d’un prisme en vision directe
Matériel suggéré
Prismes1 (angle d’ouverture allant de 30 à 60°), mires2 présentant des limites rectilignes entre des
zones blanches et des zones noires.
Procédure
1. Tenir la mire d’une main devant son
œil, en observant une limite entre une
zone blanche et une zone noire, la
zone noire étant en-dessous de la zone
blanche.
2. Prendre le prisme de l’autre main en
Observateur
plaçant l’angle d’ouverture vers le haut,
et le positionner juste devant la limite entre les deux zones, de manière à pouvoir observer cette
limite à travers le prisme (voir illustration). Puis éloigner progressivement la mire du prisme, de
manière à pouvoir continuer à voir sans cesse la limite entre les deux zones à travers le prisme.
Comment évolue l’apparence de la limite ? (On voit apparaître des bandes rouge, orange et jaune
en partant de la zone blanche.)
3. Recommencer la procédure en inversant les zones noire et blanche. (On voit apparaître des
bandes violette, bleue et indigo.)
4. Recommencer la procédure en observant une bande noire horizontale sur fond blanc à travers le
prisme. (On voit apparaître, successivement en partant du haut, des bandes jaune, orange,
rouge, magenta, violette, bleue et indigo : le magenta s’est formé par superposition du rouge et du
violet.)
5. Recommencer la procédure en observant une bande blanche horizontale sur fond noir à travers le
prisme. (On voit apparaître, successivement en partant du haut, des bandes violette, bleue,
indigo, verte, jaune, orange et rouge : le vert s’est formé par superposition de l’indigo et du jaune.)
En verre, plexiglas ou acrylique (veiller à ce que les faces soient suffisamment planes et polies), angle d’ouverture allant de 30
à 60°.
1
Par exemple des morceaux de feuilles blanches et noires maintenues superposées à l’aide d’attaches-trombones, et qu’on
peut faire glisser l’une sur l’autre de manière à faire apparaître une bande noire sur fond blanc de largeur réglable, ou au
contraire une bande blanche sur fond noir.
2
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Remarques pour le professeur
L’intérêt de cette série d’expériences est de pouvoir observer directement des spectres assez
spectaculaires dans un local éclairé. Les prismes sont d’autant plus étendus et détaillés qu’on
s’éloigne de la surface observée (jusqu’à une distance d’environ 2 m). Chaque élève doit alors
disposer d’un prisme. Toutes les intersections entre des plages de couleurs différentes peuvent
produire un spectre.
Le désavantage est qu’on ne peut pas facilement vérifier l’observation que fait l’élève. De plus, la
lumière ambiante doit si possible être la lumière solaire ou la lumière d’ampoules à incandescentes :
les Leds ou ampoules fluo-compactes ne produisent pas des spectres complets.
Si on manque de temps, on peut se contenter de ne faire observer qu’une bande blanche d’environ 1
cm de large sur fond noir.
Si on manque de prismes, on peut aussi effectuer cette expérience à l’aide d’un réseau de diffraction,
voire un morceau de DVD.3 Toutefois, l’explication des phénomènes en jeu dans les réseaux de
diffraction dépasse le cadre du cours du second degré.
Variantes
On peut éventuellement tenter de mener les expériences
précédentes devant un groupe entier à l’aide d’un
aquarium classique. On peut par exemple observer la
limite entre les zones noire et blanche d’une mire, cette
fois-ci orientée verticalement, à travers deux faces
latérales perpendiculaires.
Les aquariums prismatiques (à base triangulaire)
donnent de meilleurs résultats, quand on utilise l’angle
d’ouverture de 75°, comme on peut le constater sur ces
photos.4
B. Décomposition d’un pinceau de lumière par un prisme
Matériel suggéré
Banc d’optique comprenant une source lumineuse à incandescence assez intense (30 W environ), un
condenseur (lentille à petite distance focale), une fente réglable, une lentille de projection d’une
distance focale de 10 cm, une lentille supplémentaire d’une distance focale de 5 cm, un porte objet et
un écran (ou un mur blanc) ; prisme.
3
Voir la fiche technique « Construction et utilisation d’un spectromètre optique bon marché ».
4
Nous avons construit (laboratoire pilote de Nivelles) deux aquariums en plexiglas, ayant comme base un triangle isocèle de 16
cm comme base et 29 cm comme hauteur, l’aquarium ayant lui-même une hauteur totale de 25 cm. Ces dimensions produisent
un angle d’ouverture de 30° au sommet, et des angles d’ouverture de 75° à la base. Ces derniers sont idéaux pour la
décomposition spectrale. Nous pouvons fournir des conseils de construction sur simple demande. Des aquariums
prismatiques de plus grandes dimensions et en verre sont aussi disponibles auprès de certaines firmes spécialisées.
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Procédure
1. Agencer la source lumineuse, la fente réglable (en position verticale) et le condenseur, de
manière à ce que celui-ci concentre un maximum de la lumière de la source sur la fente.
2. Placer la lentille de projection à environ 14 cm de la fente réglable, et placer l’écran de manière à
obtenir une image nette de la fente.
3. Placer le prisme sur le porte-objet à une dizaine de centimètre de la lentille de projection, de
manière à ce qu’il disperse la lumière provenant de la fente et déplacer l’écran latéralement de
manière à y capter l’image du spectre. Ajuster la largeur de la fente réglable de manière à avoir
un bon compromis entre la netteté et la luminosité du spectre.
4. Placer la lentille supplémentaire dans la trajectoire de la lumière entre le prisme et l’écran de
manière à réunifier les différentes couleurs spectrales.
Remarque pour le professeur
La description ci-dessus permet d’obtenir un spectre de qualité, ce qui n’est pas le cas de certains
montages proposés par des firmes de matériel didactique : en particulier, les ensembles d’optique sur
table produisent généralement des spectres de piètre qualité, à cause de l’absence de lentille de
projection.
Variantes

En utilisant un prisme à vision directe au lieu d’un prisme classique, on obtient un étalement
encore plus remarquable.

On peut tenter de reproduire un arc-en-ciel réel (alors que le véritable arc-en-ciel est virtuel) à
l’aide d’une lumière assez intense (un projecteur ou la lumière directe du Soleil), un ballon de
chimie transparent rempli d’eau et un carton percé d’un trou de diamètre légèrement inférieur
au ballon. .Positionner le ballon dans le faisceau lumineux, et placer le carton entre la source
lumineuse et le ballon de telle manière à ce qu’il ne laisse passer que la lumière se dirigeant
vers le ballon, et qu’il se forme un arc-en-ciel sur la face du carton du côté du ballon.
C. Utilisation d’un spectroscope ou d’un spectromètre
Les spectroscopes sont des appareils spécialement conçus pour l’observation des spectres de
lumière. On parle également de spectromètres quand ils sont munis d’une échelle des longueurs
d’onde. Il en existe de plusieurs types :
-
Les spectroscopes individuels produisent des spectres à l’aide d’un prisme ou d’un réseau, et
qu’on peut observer en regardant par une petite ouverture : une seule personne à la fois peut
observer le spectre, et on en revient en quelques sortes au point A de cette fiche (utilisation d’un
prisme en vision directe). De nombreuses firmes proposent des spectroscopes bons marchés en
carton utilisant un réseau de diffraction.
-
Les spectroscopes de projection produisent un spectre visible simultanément par un grand groupe
sur un écran. En particulier, les spectromètres utilisant une caméra digitale présentent de
nombreux avantages : leur sensibilité est accrue, on peut lire directement les longueurs d’onde
correspondantes, on peut détecter des UV et des IR proches, et on peut enregistrer les images.
Bien que ces appareils soient surtout indiqués pour le 3ème degré (chapitre sur les ondes
électromagnétiques), ils peuvent déjà être présentés au cours d’optique du 2ème degré, d’autant
plus que certains logiciels associés permettent de repérer les types de photorécepteurs sollicités
en fonction de la lumière observée. Plusieurs firmes proposent des spectromètres digitaux, qui
peuvent être assez onéreux (environ 1000 €). Nous proposons quelques pistes pour construire
soi-même un spectromètre digital, ou pour se le procurer en kit.5
Développements attendus principalement visés
Suivre un mode opératoire pour décomposer une lumière blanche (A3).
L’élève suit un mode opératoire pour décomposer une lumière blanche.
5
Voir la fiche technique « Construction et utilisation d’un spectromètre optique bon marché ».
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