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36th International Physics Olympiad. Salamanca (España) 2005
Mesure de la constante de Planck avec une lampe à incandescence.
En 1900 Planck introduisit l’hypothèse que la lumière est émise par la matière sous forme de quanta d’énergie hν.
En 1905 Einstein prolongea l’idée en indiquant que ce quantum d’énergie lumineuse demeure intact après
émission (nous l’appelons maintenant photon). La lumière ordinaire est composée d’un nombre de photons
gigantesque sur chaque front d’onde. Ils restent généralement cachés dans l’onde exactement comme les atomes
individuels le sont dans la matière, mais la constante de Planck h révèle leur présence. Le but de cette expérience
est de mesurer la constante de Planck.
Tous les objets qui émettent de la lumière sont aussi capables d’en absorber.
On appelle « corps noir », tout objet capable d’absorber tout rayonnement
incident, quelle que soit sa longueur d’onde : il s’agit donc d’un « radiateur »
total. En ce qui concerne les rayonnements électromagnétiques, les corps noirs
absorbent tout, ne réfléchissent rien et émettent tout. Les objets réels ne sont
pas des corps noirs parfaits ; on note ε leur émissivité définie comme le
rapport de l’énergie rayonnante émise par de tels objets à celle émise par un
corps noir à la même température.
Planck formula la densité d’énergie, émise sous forme de rayonnement
électromagnétique λ par un corps à température absolue T, de la façon
suivante :
(1) Où c1 et c2 sont des constantes.
Dans cette épreuve, on vous demande de déterminer expérimentalement c2, proportionnel à h.
Dans le cas de rayonnements de faible λ, beaucoup plus faibles que le
maximum des courbes de la figure F-1, nous pouvons négliger le terme « -1 »
du dénominateur de l’Eq.(1), ce qui donne :
(2)
Les composants essentiels de ce problème expérimental sont indiqués sur la
figure F-2.
- Le corps émetteur est le filament de tungstène d’une lampe à incandescence
A qui émet dans une large gamme de λ et dont la luminosité peut être
contrôlée.
- L’éprouvette B contient un liquide servant de filtre qui ne transmet qu’une
bande assez étroite du spectre visible, centrée autour de λ0 (voir figure F-3).
Vous trouverez des informations complémentaires sur les propriétés du filtre
en page 5.
- Enfin, le rayonnement transmis éclaire un photorésistor C (également appelé
LDR - Light Dependent Resistor). Quelques propriétés du LDR sont décrites
en page 6.
La résistance R du LDR dépend de l’éclairement reçu, proportionnel à la densité d’énergie émise par le filament
où le paramètre sans dimension γ est une propriété du LDR qui sera déterminée au cours de l’expérience.
On obtient finalement une relation entre la résistance R du LDR et la température T du filament :
(3)
Nous utiliserons cette relation en page 6. c3 est une constante de proportionnalité inconnue. En mesurant R pour
différentes valeurs de T, on peut obtenir c2 et donc h qui est l’objectif poursuivi.
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