TP n°4 : spectres de quelques sources lumineuses

Première S www.sciencesphysiques.info
TP de Sciences Physiques n°4 : sources de lumières colorées Page 1 / 2
TP de Sciences Physiques nÀ4
Sources de lumières colorées
Objectifs de la séance
Observer et comparer les spectres de différentes sources lumineuses.
Distinguer les spectres de raies d’émission et les spectres continus.
Représenter le profil spectral d’une source primaire.
Etablir un lien entre le profil spectral d’une source incandescente et sa température.
Découvrir et appliquer la « loi de Wien ».
Compétences mises en jeu dans cette activité : suivre un protocole expérimental et observer, effectuer un
raisonnement scientifique, argumenter et réaliser un calcul.
I - Observation des spectres de différentes sources lumineuses
Nous disposons des sources lumineuses suivantes : tube fluorescent, lampe à incandescence, résistance
chauffante, laser, soleil, lampe à vapeur de sodium.
1. Observation
Observe puis représente précisément le spectre de chacune des sources proposées.
Pour chaque source, détermine si le spectre est continu ou composé de raies lumineuses.
2. Profil spectral
En t’aidant des représentations proposées dans les exercices 14 et 15 page 41 du livre, imagine l’allure
des profils spectraux des différentes sources que tu as observées.
3. Existence de lumières invisibles
Cette expérience n’est pas réalisée en classe car elle nécessite un temps d’attente long dans l’obscurité totale.
On projette, grâce à un réseau, le spectre de la lumière blanche d’une lampe à incandescence sur un écran
recouvert d’un papier blanc imbibé de nitrate d’argent. Le nitrate d’argent est une solution chimique
initialement incolore qui a la propriété de noircir assez rapidement quand elle est exposée à la lumière. Après
quelques minutes d’attente, on observe sur le papier initialement blanc un dégradé de nuances de gris : la
zone éclairée en rouge est restée blanche, alors que la zone éclairée en violet est devenue très sombre. Plus
surprenant encore, la zone « non éclairée » après le violet est devenue noire.
Que montre cette expérience quant aux couleurs du domaine visible ?
Comment expliquer qu’une zone « non éclairée » soit devenue la plus sombre ?
Recherche dans ton livre les longueurs d’onde limites du domaine de la lumière visible ?
II - Lien entre profil spectral et température
1. Evolution d’un spectre continu en fonction de la température
On observe le spectre d’une lampe à incandescence quand elle brille au maximum, puis on diminue
peu à peu l’intensité du courant dans la lampe grâce à un rhéostat. Ceci a pour effet immédiat de
diminuer la température du filament : que constates-tu quand la température du filament diminue ?
Décris précisément l’évolution du spectre de la lampe en fonction de sa température : que peut-on dire
du maximum d’intensité ?

Première S www.sciencesphysiques.info
TP de Sciences Physiques n°4 : sources de lumières colorées Page 2 / 2
2. Loi de Wien
En 1896, Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien publie un modèle
mathématique empirique qui relie la longueur d’onde du maximum
d’intensité d’un profil spectral à la température de la source. Cette relation,
connue sous le nom de « loi de Wien », permet entre autre de calculer la
température de surface d’une étoile à partir de son spectre. Wilhelm Wien
obtint le prix Nobel de Physique en 1911 pour ses travaux sur lois du
rayonnement.
Expression de la loi de Wien
273
1089,2
max
6
−
λ×
=θ où θ est exprimé en °C et λ en nm
Montre que cette expression mathématique est cohérente avec les observations précédentes.
Remarque
La loi de Wien peut aussi être exprimée par :
max
6
λ
102,89
θ× =
θ est alors exprimé en Kelvin (K), qui est l’unité de référence des températures en Physique.
T(K) = T(°C) + 273
Applications en astronomie
Le maximum d’intensité dans le spectre du Soleil a une longueur d’onde proche de 500 nm. Calcule la
température de surface de notre étoile.
Rigel est une étoile de la constellation d’Orion. Elle émet une lumière bleutée. La longueur d’onde
correspondant au maximum d’intensité émise par Rigel vaut 210 nm. A quelle couleur correspond
cette longueur d’onde ? Estime la température de surface de Rigel.
L’étoile la plus proche du Soleil est nommée « Proxima du Centaure », à seulement 4,5 années lumière
de nous ! Sa température de surface est d’environ 3050 K. Détermine la longueur d’onde de son
maximum d’intensité lumineuse. A quelle « couleur » correspond ce maximum ?