Prisme et spectres

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PHYSIQUE
PRISME ET SPECTRES
Chap.16
I. Dispersion de la lumière blanche
A. Déviation des rayons lumineux par un prisme
 Un prisme est représenté dans le plan de figure par le triangle ABC rectangle en C. La valeur de
l’angle au sommet A est de 30°. Un rayon de lumière blanche arrive perpendiculairement en I sur la face
AC du prisme.
 On note J l’intersection du prolongement de ce rayon et de la face AB.
 Le prisme est fait de verre de type flint, pour lequel l’indice vaut n2V = 1,673 pour le violet et n2R = 1,609
pour le rouge.
1) Quel est l’angle d’incidence au point I ? En déduire sans calcul l’angle de réfraction.
2) Tracer la normale en J à la face AB. En déduire l’angle d’incidence i2.
3) En utilisant la loi de Descartes, n2  sin(i2) = n1  sin(i1), déterminer l’angle de réfraction i1R pour le
rouge et réfraction i1V pour le violet.
4) La déviation D d’un rayon lors de la réfraction, est définie par l’angle que fait le rayon réfracté avec le
prolongement du rayon incident IJ. Calculer la déviation du rayon rouge DR et celle du rayon violet DV.
B. Spectre de la lumière blanche à l’aide d’un prisme
 Projeter l’image de la fente lumineuse de la lanterne sur l’écran. Placer un prisme derrière la lentille et
observer.
1) Décrire la figure observée, appelée « spectre », de la lumière blanche.
2) Pourquoi peut-on dire que le prisme « disperse » la lumière blanche ?
3) On parle de « spectre continu » de la lumière blanche. Justifier.
4) Décrire les radiations monochromatiques présentes dans ce spectre.
 Complément : Chaque radiation monochromatique est caractérisée, dans l’air ou dans le vide, par une
grandeur appelée « longueur d’onde », notée  (lambda) et exprimée en m ou nm. L’œil humain
n’est sensible qu’à certaines radiations, « le visible », telles que : 400 nm (violet)    750 nm
(rouge).
5) Donner une définition de la lumière blanche.
400
450
500
550
600
650
750
(nm)
bleu
vert
jaune
orange
rouge
violet
ultra violet
infra rouge
« visible »
700
A
C
B
I
J
Verre
Air
Air

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C. Spectre de la lumière blanche à l’aide d’un réseau
 Placer un réseau (diapositive sur laquelle sont tracés un très grand nombre de traits noirs parallèles,
140 traits/mm par ex) à la place du prisme. Observer.
II. Couleur et température
 Vous disposez d’une lanterne munie d’une fente, d’un réseau (ou prisme) et d’un écran blanc.
 Attention ne pas dépasser la tension de 6,0 V
1) Projeter l’image de la fente sur l’écran. Placer le réseau derrière la lentille et observer le spectre obtenu
sur l’écran. Décrire l’évolution du spectre en faisant varier l’intensité lumineuse de la lampe.
2) Quelle est l’allure du spectre pour un fort éclairement (lampe « chaude ») ?
3) Quelle est l’allure du spectre pour un faible éclairement (lampe « froide ») ?
4) Décrire l’évolution d’un spectre en fonction de la température du corps émissif ?
5) Application aux étoiles : Bételgeuse émet une lumière rouge orangée, Rigel une lumière bleutée et Sirius
une lumière blanche. Classer ces étoiles selon leur température de surface.
III. Spectres de raies ou de bandes
A. Emission (au bureau)
 Utiliser un spectroscope à réseau afin d’observer le spectre d’un tube au néon ;
 On dispose d’une lampe à décharge, d’une fente, d’une lentille convergente faisant l’image de la fente
sur un écran et d’un réseau placé à proximité de la lentille.
 Une lampe à décharge est un tube de verre contenant une vapeur métallique (sodium Na, mercure
Hg,...) ou un gaz (néon Ne, argon Ar, dihydrogène H2 ...) sous faible pression. Lorsque le gaz est
traversé par une décharge électrique, il émet une lumière dont on analyse le spectre.
1) Décrire les spectres des lampes au mercure et au sodium.
2) En quoi chacun de ces spectres est-il une « signature » de l’élément chimique ?
3) Pour voir les spectres d’émission de chaque atome, voir :
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres.swf
B. Absorption
 Plaçons différentes solutions colorées sur la fente d’une lanterne. Placer sur ce faisceau un réseau ou
un prisme. Observer le spectre obtenu selon la couleur de la solution.
Solutions ou gaz
sulfate de cuivre II
permanganate de potassium
Couleur de la solution
Radiations absorbées du spectre
 En quoi l’étude d’un spectre permettra-t-elle de connaître la composition chimique du corps émissif ?
G
+
_
L
écran
fente
lentille
réseau
Lampes spectrales
Hg et Na
+ alimentation
fente
lentill
e
prism
e
écran