TP optique physique 3 – janvier – février 2010 1 SPECTROSCOPE A RESEAU A) Comprendre: étudier les spectres fournis par un réseau plan ; déterminer le nombre de traits par unité de longueur. B) Analyser : régler et faire les mesures à l’aide d’un spectrogoniomètre à réseau. C) Valider : insister sur la précision des mesures et la cohérence des résultats avec le modèle. D) Communiquer : comparer plusieurs réseaux et le prisme; conclure. I - Description de l’appareil On utilise le même goniomètre que celui qui a servi dans la manipulation sur le prisme; on en rappelle brièvement les principales caractéristiques: lampe 1°) la platine P, constitue le support du réseau; Réseau 2°) le collimateur C: destiné à fournir un faisceau de lumière parallèle; 3°) La lunette de visée L, formée d’un objectif et d’un oculaire qu’on utilise comme une loupe: elle sert à observer les rayons transmis par le réseau. C’est aussi dans le plan de (F) qu’est placé le réticule, ensemble de fils croisés servant à faciliter la mise au point de la lunette et les pointés des rayons. La position angulaire de la lunette sur le disque est repérée grâce à une graduation en demi degrés et un vernier au trentième, ce qui permet en principe une précision d’une minute d’angle. 4°) Le collimateur micrométrique permet de fournir dans le plan de (F) l’image d’une graduation. Auto collimation II - Réglages A faire minutieusement; rappels succincts: 1°) Réglage de l’oculaire: régler la netteté du réticule en tirant plus ou moins l’oculaire. 2°) Réglage par autocollimation de la lunette sur l’infini: Il s’agit de placer le réticule dans le plan focal (F) de l’objectif, en le faisant coïncider avec sa propre image (utiliser le miroir plan fourni). 3°) Réglage du collimateur sur l’infini: Allumer la lampe Hg ou Cd et la placer derrière la fente; aligner la lunette avec l’oculaire et enlever avec beaucoup de soin la platine avec le réseau. Régler le tirage du collimateur de manière à voir une image nette de la fente dans le même plan que l’image du réticule. Régler l’orientation de la fente pour la rendre verticale, et la rendre aussi fine que possible. III - Manipulation On rappelle la relation fondamentale du réseau: du fait des interférences des ondes diffractées par les différents traits du réseau, on ne voit de lumière que dans les directions des maxima principaux, tels que: a(sin i ' sin i ) k .On appelle n 1 a le nombre de traits par unité de longueur du réseau par transmission utilisé. 1°) Observations qualitatives : Utiliser d’abord la lampe à mercure ou à cadmium ; placer approximativement le réseau perpendiculairement au faisceau sortant du collimateur. On réalise ainsi i 0 et sin i ' 1/ n i i D k . Mettre la lunette dans le prolongement du faisceau incident: on observe une image de a la fente sans dispersion, ce qui correspond à i’ = 0 et k = 0. Déplacer la lunette à droite puis à gauche et observer les deux spectres d’ordre 1 (k = 1 et k = - 1), remarquer l’ordre des couleurs. Continuer à déplacer la lunette pour observer les spectres d’ordre supérieur; remarquer en particulier leur chevauchement à partir du deuxième ordre. TP optique physique 3 – janvier – février 2010 2 2°) Mesure du minimum de déviation. Définir et calculer la déviation D du faisceau incident en fonction de i et de i’. Montrer que si i varie, à Dm k . 2 k et fixés, D passe par un minimum tel que: 2a.sin Repérer une raie précise dans le spectre d’ordre 2 ou 3 et faire tourner doucement le réseau jusqu’à observer la déviation minimale (on a l’impression que la raie rebrousse chemin); remarquer qu’alors les deux faisceaux sont symétriques par rapport au plan du réseau. Si on fait tourner le réseau en sens inverse, on trouve une situation symétrique, avec les mêmes valeurs absolues des angles d’incidence et de déviation. Pour mesurer Dm correspondant à un ordre k (2 ou 3 si possible, la mesure est impossible dans l’ordre 1) et à une longueur d’onde (celle du doublet jaune par exemple) donnés, déterminer comme ci-dessus le minimum de déviation et noter alors la valeur du pointé 1 sur le goniomètre. On peut, comme avec le prisme, faire le pointé 2 correspondant à la position symétrique (cf. figure ci-dessous), on a alors : 2Dm 1 2 . Avec le réseau, on peut procéder plus simplement et se placer ensuite à l’ordre zéro ; on note de même 0 , qui correspond à la direction du faisceau incident. On en V1 déduit: L1 Dm 1 0 . Quelle méthode vous paraît-elle la plus précise ? 3°) Mesure du nombre de traits par millimètre. Pour chaque réseau disponible, choisir une raie de longueur d’onde connue (voir cahier de TP disponible en salle), choisir un ordre, mesurer le minimum de déviation et en déduire le nombre de traits par unité de longueur n (on l’exprime habituellement en mm -1). Faire plusieurs mesures en changeant 2Dpm 1 a k et , et vérifier leur cohérence. Remplir un tableau sur le modèle : (µm) k 1 2 ou 0 Dm n 1 a (mm1 ) 4°) Estimation des doublets du sodium. Prendre la lampe à vapeur de sodium: les raies sont formées de doublets très rapprochés. Avec un réseau dont on a déterminé n, mesurer par la méthode du minimum de déviation la longueur d’onde moyenne de chaque doublet; en jouant sur l’ordre, ou en changeant de réseau, déterminer l’écart de longueur d’onde entre les deux raies. couleur rouge jaune jaune vert vert moyen (µm) (µm)