Caractérisation de sources lumineuses

Optique TP1 1
Caractérisation de
sources lumineuses
1 – BUT DE LA MANIPULATION
Le but de cette manipulation est de déterminer :
• les longueurs d’onde d’une lumière émise par une lampe spectrale, par utilisation d’un
spectroscope,
• l’intensité lumineuse d’une surface éclairée par un laser.
2 – LE SPECTROSCOPE
L’élément essentiel d’un spectroscope est le système qui disperse la lumière, c'est-à-dire qui la
décompose en radiations de différentes longueurs d'onde ; dans le cas le plus simple celui-ci est un
prisme.
La figure 1 ci-dessous donne le schéma de principe du spectroscope :
• Lorsque le rayonnement provient directement d’une source lumineuse, le spectre observé
est appelé spectre d’émission de la source.
• Lorsque une lumière blanche a traversé une substance absorbant sélectivement certaines
radiations, le spectre observé est appelé spectre d’absorption de la substance.
Fig. 1. Schéma de principe du spectroscope.
mire
Prisme
fente
lampe
S
Collimateur I
Lunette
lampe
Collimateur II

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LEGENDE DE LA PHOTOGRAPHIE DU SPECTROSCOPE
C
Co ol ll li im ma at te eu ur r I II I
M
Mi ic cr ro om mè èt tr re e
A : Mise au point
(tirage du tube portant le micromètre éclairé)
B : Réglage de l’inclinaison (ne pas modifier)
C : Réglage de rotation (ne pas modifier)
L
Lu un ne et tt te e
D : Mise au point
(tirage du tube portant l’oculaire)
E : Réglage de l’inclinaison (ne pas
modifier)
G : Blocage de la rotation
G’ : vis micrométrique commandant la
rotation de la lunette
O : Bague de réglage de l’oculaire
C
Co ol ll li im ma at te eu ur r I I
F : fente
F' : réglage de la largeur de la fente

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2.1 Obtention du spectre de la source à étudier
La source S de lumière à étudier éclaire la fente d’un collimateur I réglé pour que le faisceau
lumineux qui en sort soit parallèle ou collimaté (en grisé sur la figure 1).
La lumière de ce faisceau est déviée par un prisme et observée à travers une lunette.
2.2 Projection d’une mire de référence
Afin de pouvoir comparer les spectres émis par des sources lumineuses différentes, il est nécessaire de
disposer d’une échelle graduée. Celle-ci est obtenue en projetant à l’infini l’image virtuelle d’une mire
micrométrique éclairée par une lampe auxiliaire. Le collimateur II donne un faisceau de lumière
parallèle incident sur la face de sortie du prisme qui, se comportant comme un miroir, le réfléchit dans
la lunette (faisceau en pointillés sur la figure 1).
On observe alors la superposition du spectre à étudier et de l’image de la mire de référence
3 - MANIPULATION
Le spectroscope a été préréglé. Ne pas toucher :
- aux vis de blocage des collimateurs I et II
- à la vis de réglage de la fente.
- au prisme.
3.1 Observations à l’œil nu
♦ Allumer la source lumineuse (ici une lampe à hélium) et la placer le plus près possible de la fente
du collimateur I.
♦ Repousser la lunette pour pouvoir observer le spectre directement à l’œil.
♦ Allumer la lampe éclairant l’échelle micrométrique et observer, toujours à l’œil nu, l’image de
l’échelle superposée au spectre de la lumière.
3.2 Observation avec la lunette
♦ Amener la lunette dans le champ d’observation.
♦ Régler l’oculaire de la lunette pour observer un spectre net.
♦ Mettre au point sur l’image de l’échelle graduée en agissant sur la vis moletée du collimateur II.
3.3 Etalonnage en longueur d’onde
L’étalonnage consiste à repérer les longueurs d’onde des raies d’un spectre étalon connu (ici celui de
l’hélium) par rapport aux divisions arbitraires du micromètre. Le tableau ci-après indique, en
nanomètres, les principales longueurs d’onde des raies de l’hélium.

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Lampe à hélium.
λ ( nm) couleur intensité
706,5 rouge faible
667,8 rouge forte
656,3 rouge ***
587,5 jaune forte
504,7 verte faible
501,5 verte forte
492,2 verte moyenne
486,1 bleue ***
471,3 bleue moyenne
447,1 violette forte
438,7 violette faible
*** : Ces raies dues à une impureté (hydrogène) ne sont pas émises par toutes les lampes.
♦ Vérifier que la raie jaune de l’hélium coïncide avec la division 5 de la mire afin que tout le spectre
soit visible sur l’échelle.
♦ Pour chaque pointé, tourner la lunette pour amener la raie étudiée au centre du champ
d’observation.
♦ Tracer alors, sur la feuille de papier millimétré fournie, la courbe d’étalonnage du spectroscope,
c’est-à-dire la courbe donnant la longueur d’onde en fonction des divisions d du micromètre.
couleur
d
λ (nm)
3.4 Détermination des longueurs d’onde d’un spectre d’émission inconnu
♦ Remplacer la lampe à hélium par la lampe de nature inconnue.
♦ A partir de la courbe d’étalonnage, déterminer les longueurs d’onde des raies observées.
couleur
intensité
d
λ (nm)
♦ En déduire, avec l’aide des tableaux en annexe, la nature de la lampe