manuels complements ldp chap03

24 LIVRE DU PROFESSEUR © Éditions Belin, 2011
A. Le programme
Notions et contenus Compétences attendues
Domaines des ondes électromagnétiques.
Couleur des corps chauffés. Loi de Wien.
Interaction lumière-matière : émission et
absorption.
Quantifi cation des niveaux d’énergie de la
matière.
Modèle corpusculaire de la lumière : le
photon. Énergie d’un photon.
Relation ΔE = hν dans les échanges d’énergie.
Différentes sources de lumière : étoiles,
lampes variées, laser, DEL, …
Spectre solaire.
Connaître les limites en longueur d’onde
dans le vide du domaine visible et situer les
rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Exploiter la loi de Wien, son expression étant
donnée.
Pratiquer une démarche expérimentale
permettant d’illustrer et de comprendre la
notion de lumière colorée.
Interpréter les échanges d’énergie entre
lumière et matière à l’aide du modèle
corpusculaire de la lumière.
Connaître les relations λ = c/ν et ΔE = hν et
les utiliser pour exploiter un diagramme de
niveaux d’énergie.
Distinguer une source polychromatique d’une
source monochromatique caractérisée par une
longueur d’onde dans le vide.
Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du
spectre solaire.
Commentaires ✔
Cette partie du programme fait apparaître des concepts quantiques, la dualité onde-corpus-
cule de la lumière (qui est reprise dans le programme de terminale S), et évoque le corps noir à
travers la loi de Wien (qui n’est pas exigible).
B. La démarche adoptée dans le manuel
L’aspect quantitatif des spectres, qui était absent au chapitre précédent sur les couleurs,
apparaît ici. De façon à discerner l’impression visuelle qualitative du spectre de sa courbe quan-
titative, nous avons pris le parti de nommer la première « spectre » et la seconde « intensité
lumineuse en fonction de la longueur d’onde ».
Chapitre 3
SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE
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3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE 25 © Éditions Belin, 2011
C. Commentaires sur les activités et documents proposés
Évaluer les acquis de la 2  de p. 52
Réponses aux questions ✔
– C’est en étudiant le spectre de la lumière émise par le Soleil qu’on est parvenu à connaître sa
température de surface.
– Le spectre de la lumière solaire est un spectre continu avec des raies d’absorptions. Un prisme
(ou un réseau) permettent de disperser la lumière pour en réaliser le spectre.
– La longueur d’onde dans le vide sert à caractériser une radiation monochromatique de ce
spectre.
Interpréter une expérience  p. 52
La photographie présente un morceau de vitrail illuminé par un laser bleu (dispositif de
spectrométrie Raman). Ce verre contient des nanoparticules de cuivre. En lumière blanche, le
vitrail apparaît rouge, car sa composition le rend transparent autour de cette couleur spectrale,
et opaque pour les autres. Lorsqu’on éclaire ce verre par le laser bleu, on observe une fl uores-
cence dans le vert.
Une proportion de lumière plus faible et invisible à l’œil, la diffusion Raman, est aussi émi-
se : recueillie par l’objectif de microscope et redirigée vers un spectromètre par l’intermédiaire
d’une fi bre optique, cette lumière, une fois analysée, donne des informations précieuses sur la
composition du verre, sa température de mise en œuvre et son état de conservation.
Pour en savoir plus : Ph. Colomban, « Restauration des vitraux de la Sainte Chapelle »,
www.ladir.cnrs.fr/pages/colomban/La%20Sainte-Chapelle-4.pdf
Interprétation attendue ✔
– En réalisant le spectre de la lumière des deux sources, on établit qu’un laser émet un rayonne-
ment monochromatique, contrairement à l’ampoule à incandescence dont le spectre d’émission
est continu.
– Les longueurs d’onde correspondant au vert sont absentes du rayonnement d’un laser bleu :
la lumière verte ne peut donc pas être obtenue par dispersion par le verre.
– On peut citer des objets phosphorescents comme certaines aiguilles de réveil (visibles dans
l’obscurité).
En conclusion, la lumière verte est donc une lumière réémise par le verre, excité par le rayonne-
ment laser, lors de sa désexcitation.
Page d’ouverture  p. 53
Le maximum d’intensité présenté par le spectre de la lumière émise par une ampoule in-
candescente se trouve dans le domaine infrarouge. Aussi, le fi lament peu chauffé d’une telle
ampoule apparaîtra rouge, du fait de lacunes en faibles longueurs d’ondes dans son spectre.
Inversement, le matériau fl uorescent qui recouvre les tubes convertit en lumière visible de
différentes couleurs le rayonnement ultra-violet émis par le gaz excité qu’ils contiennent ; la
superposition de ces lumières colorées apparaît blanche par synthèse additive.
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26 LIVRE DU PROFESSEUR © Éditions Belin, 2011
Activité 1  p. 54
Il s’agit de visualiser divers spectres de lumières, qualitativement d’abord, grâce à un spec-
troscope réalisable à bas coût, quantitativement ensuite, à l’aide d’une barrette de détecteur
(ou d’un spectromètre tout équipé), plus chère.
Cette activité est à relier à l’activité 1 du chapitre 2, et vient superposer aux notions de cou-
leurs spectrale et perçue les concepts de spectres mono- et polychromatique.
Réponses aux questions ✔
1. Lampe à vapeur de sodium, LED jaune, lampe à incandescence : sources primaires, spectre
d’émission. Solution de fl uorescéine : source secondaire, spectre d’absorption.
2. a. Lampe à vapeur de sodium : monochromatique. LED jaune, lampe à incandescence, solu-
tion de fl uorescéine éclairée en lumière blanche : polychromatiques.
b. Lampe à vapeur de sodium : spectre discontinu. Autres spectres continus.
c. Spectres
Source d’émission d’absorption monochromatique polychromatique discontinu continu
Vapeur
de sodium XX X
DEL jaune XXX
Lampe à
incandescence XXX
Fluorescéine
en lumière
blanche
XXX
3. On observe sur l’écran du vert, du jaune et du rouge.
4. a. Sur l’ordinateur, on visualise la répartition de l’intensité lumineuse du faisceau incident
selon la longueur d’onde : c’est une mesure quantitative. Sur l’écran, on voit le spectre de ce
faisceau : c’est une observation qualitative.
b. Le maximum de l’intensité est dans le jaune ; l’intensité est faible dans le vert et le rouge.
5. Pour avoir une lumière colorée :
• Décharges électriques dans une vapeur atomique. • Courant électrique dans une DEL.
• Courant dans un fi lament chauffé. • Ajout de fi ltres sur le passage d’une lumière blanche.
Activité 2  p. 55
Dans cette activité, il s’agit, d’abord à partir de l’étude d’un document, de montrer l’intérêt
pratique de la loi de Wien, puis à partir de courbes d’intensités lumineuses de différents corps
noirs, d’établir une modélisation de cette loi.
L’activité conclut sur une application relevant d’un tout autre domaine : l’astrophysique.
Réponses aux questions ✔
1. a. Domaine du visible : λ ∈ [400 nm ; 700 nm] ; de l’UV : λ < 400 nm ; de l’IR : λ > 750 nm.
b. Pour de telles températures, le rayonnement émis par la lave est essentiellement infrarouge.
2. a. T1 800 K 2 100 K 2 400 K 2 600 K 2 800 K 3 000 K
λmax 1,6 µm 1,4 µm 1,2 µm 1,1 µm 1,0 µm 0,9 µm
3. a = 2,90 · 10−3 K · m ± 0,1 · 10−3 K · m. La modélisation présente une incertitude relative fai-
ble (de l’ordre du pourcent).
4. Il s’agit de tracer la courbe d’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde relative à
l’étoile, de déterminer la position du maximum d’intensité, et d’appliquer la loi de Wien.
5. a. λmax = 257 nm. b. Cette radiation ne se situe pas dans le visible, mais dans l’UV.
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3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE 27 © Éditions Belin, 2011
Activité 3  p. 56
L’activité propose, grâce à une étude documentaire orientée vers l’histoire des sciences,
d’associer aux grandeurs ondulatoires de la lumière un corpuscule, le photon.
Réponses aux questions ✔
1. La dispersion de la lumière par un prisme est expliquée par la conception ondulatoire de la
lumière.
2. a. La conception ondulatoire de la lumière modélise correctement le rayonnement du corps
noir aux grandes longueurs d’onde, mais pas du tout aux petites longueurs d’onde.
b. Pour expliquer le rayonnement du corps noir, il faut faire appel à la théorie corpusculaire.
3. On parle de dualité onde-corpuscule car la lumière se comporte à la fois comme une onde
(électromagnétique) et un corpuscule (le photon).
4.a. Photon d’énergie E=hν. b. Photon d’énergie
E=hc
λ.
5. Onde : longueur d’onde λ dans le vide et fréquence ν ; corpuscule : photon d’énergie
E=hν=hc
λ.
Activité 4  p. 57
L’activité fait le lien entre le spectre d’un atome (celui de mercure en l’occurrence) et les
états d’énergie de cet atome. La première partie consiste en la réalisation d’un diagramme éner-
gétique où sont représentés les niveaux d’énergie du mercure.
La seconde partie de l’activité propose une découverte du lien entre les transitions électro-
niques et le spectre d’émission et d’absorption d’un atome, sous la forme d’une manipulation
simple et ludique.
Réponses aux questions ✔
1. Les orbitales des électrons sont situées à des distances bien spécifi ques du noyau et chaque
orbitale a une énergie fi xée.
2. Le dessin doit être réalisé soigneusement, en prévision de la question 5.
3. a. Le modèle de Bohr explique la correspondance entre les raies d’émission et d’absorption
par le fait que l’émission comme l’absorption sont dues à la transition d’un électron entre deux
niveaux d’énergie de l’atome. Dans un cas, l’électron émet un photon, dans l’autre il l’absorbe ;
mais l’énergie du photon (donc la fréquence des rayonnements émis et absorbé) est identique
dans les deux cas.
b. λ1 = 436 nm : bleu, ν1 = 6,88 · 1014 Hz ;
λ2 = 546 nm : vert, ν2 = 5,49 · 1014 Hz ;
λ3 = 578 nm : jaune, ν3 = 5,19 · 1014 Hz.
4. ΔE1 = 4,55 · 10−19 J = 2,85 eV ;
ΔE2 = 3,63 · 10−19 J = 2,27 eV ;
ΔE3 = 3,44 · 10−19 J = 2,15 eV.
5. a. Comme dans la question 2., le découpage doit être soigneux pour éviter toute hésitation
quant à la position des bandes de couleur sur le diagramme énergétique du mercure.
b. ΔE1 correspond à la transition niveau excité 2 ↔ niveau excité 5 ;
ΔE2 correspond à la transition niveau excité 3 ↔ niveau excité 5 ;
ΔE3 correspond à la transition niveau excité 4 ↔ niveau excité 9.
6. Il faut que son énergie ΔE vérifi e ΔE=E−ʹ
E.
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28 LIVRE DU PROFESSEUR © Éditions Belin, 2011
D. Déroulement du cours
On peut compter pour ce chapitre deux séances d’activités expérimentales en demi-groupe et
deux séances en classe entière.
Exemple de progression :
Séance de TP • En demi-groupe : activité 1 et activité 2 (1 h 30 à 2 h).
Remarque : l’activité 1 s’appuie sur les connaissances acquises en classe
de seconde. On pourra donc lors de cette séance consacrer un temps plus
important à l’activité 2.
Cours • En classe entière : 1. Couleur et température ; 3. Sources lumineuses; exer-
cices d’application (1 h à 1 h 30).
Séance de TP • En demi-groupe : activité 3 et activité 4 (1 h 30 à 2 h).
Remarque : si nécessaire, les activités 3 et 4 peuvent être effectuées en
classe entière.
Cours • En classe entière : 2. Lumière et matière ; exercices d’application (1 h à
1 h 30).
E. Réponses aux exercices p. 62
Les réponses aux exercices qui ne fi gurent pas ici sont à la fi n du manuel, p. 352.
4 1. On applique la loi de Wien :
T=2,9 ⋅ 10−3
210 ⋅ 10−9=13 810 K =14 ⋅ 103 K ,
soit T = 13 810 − 273 = 13 537 °C.
5 1. On applique la loi de Wien en conver-
tissant d’abord la température en kelvins ; on
obtient λm = 1,59 μm.
2. a. Dans l’infrarouge.
b. Même si le maximum se trouve dans l’in-
frarouge, le rayonnement s’étend aussi à des
longueurs d’onde plus courtes : une partie du
rayonnement est visible.
6 1. a. Pour le cœur du Soleil :
T = 15 000 000 + 273,15 = 15 · 106 K
donc λm= 0,19 nm. Le domaine spectral est
donc [0,95 nm ; 1,9 nm].
b. Pour la photosphère :
T = 5500 + 273 = 5773 K donc λm = 502 nm.
Le domaine spectral est [251 nm ; 5,02 μm].
2. Le domaine spectral de la photosphère
recouvre le domaine visible (entre 400 nm
et 750 nm). La « lumière du Soleil » qui nous
éclaire est donc la lumière émise par sa pho-
tosphère.
7 1. a. Classe O (delta Ori) : 83 nm.
b. Classe A (Sirius) : 293 nm.
c. Procyon A : 446 nm.
d. Classe M (Proxima du centaure) : 954 nm.
e. 61 Cygni : 652 nm et 704 nm.
2. Étoiles chaudes : étoiles de classe O (delta
Ori) et de classe A (Sirius).
Étoiles froides : étoiles de classe M (Proxima
du centaure).
Étoiles semblables au Soleil : Procyon A et
61 Cygni.
9 « Fossile » : ce rayonnement est un reste,
une trace de l’événement qui a mené à la for-
mation des atomes. « 3 K » : 1,06 mm corres-
pond, d’après la loi de Wien, à 2,73 K (à peu
près 3 K).
13 1. E = 3,1 · 10−19 J.
2. E = 1,9 eV.
14 1. ν = 9,192 631 770 · 109 Hz.
2. ΔE = 6,05 · 10−24 J.
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