spectroscope a reseau

1 TP optique physique 3 – janvier – février 2010
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:
1°) la platine P, constitue le support du 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.
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 i i k(sin ' sin )
.On appelle
1na
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 'ik
a
. Mettre la lunette dans le prolongement du faisceau incident: on observe une image de
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.
D
i i
1/n
Auto collimation
Réseau lampe

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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
k
et  fixés,
D
passe par un minimum tel que:
22 aDk
m
.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
m
D
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 :
21
2
m
D
. 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 déduit:
01 m
D
. 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
a
n1
(on l’exprime habituellement en mm-1).
Faire plusieurs mesures en changeant
k
et , et vérifier leur cohérence.
Remplir un tableau sur le modèle :
 (µm)
k
1
2
ou
0
m
D
)(
11
mm
a
n
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
 moyen (µm)
 (µm)
rouge
jaune
jaune vert
vert
Le gonio
L1
V1
2Dpm