I- Vitesse de propagation de la lumière. 1)- Valeur exacte : 2)- Valeur approchée :

II- La lumière blanche. 1)- Expérience : Expérience de Newton (1642 – 1727). 2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser. 3)- Lumière et longueur d’onde. 4)- Domaine du visible. 5)- Lumière et température de surface.

III- Les spectres de raies d’émission. 1)- Expériences : 2)- Interprétation :

IV- Applications. 1)- Analyse spectrale : 2)- QCM : QCM réalisé avec le logiciel QUESTY pour s'auto-évaluer Sous forme de tableau 3)- Exercices : DS

TP : Les messages de la lumière. Cours : Les messages de la lumière Exercices : Les messages de la lumière. Cours : La lumière des étoiles.

I- Vitesse de propagation de la lumière.

1)- Valeur exacte :

-   En 1674, étudiant les éclipses de la planète Jupiter sur son satellite Io,

-  Le Danois Römer donne une première estimation de la vitesse de la lumière dans le vide.

-  La valeur fixée pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est : 

-  C’est une constante Universelle.

-  Cette vitesse est une vitesse limite.

-   Aucun objet matériel ne peut atteindre cette vitesse dans le vide.

2)- Valeur approchée :

-  Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.

-  La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.

-  Comme valeur approchée dans l’air et le vide, on choisit la valeur suivante :

-  Cette valeur est très élevée.

-  Tableau de valeurs de vitesses :

II- La lumière blanche.

1)- Expérience : Expérience de Newton (1642 – 1727).

-  Le prisme :

-  On éclaire une fente avec une lumière blanche et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un prisme.

-  Observations : la lumière est déviée par le prisme.

-  De plus le faisceau qui émerge du prisme est étalé et présente les différentes couleurs de l’arc-en-ciel (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet).

-  La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette.

-  Conclusion :

-  Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet.

-  C'est un phénomène de dispersion.

-  L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche.

-  Le spectre est continu du rouge au violet.

-  La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations :

-  C’est une lumière polychromatique

-  Arc en Ciel :

-  La lumière blanche est dispersée par les gouttelettes d’eau.

-  Le réseau :

-  Un réseau est constitué d'un  film transparent sur lequel on a gravé des traits parallèles, équidistants et très fins.

-  Exemple le réseau noté 580 : on a gravé 580 traits par millimètre.

2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser.

-  On éclaire une fente avec un faisceau laser et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un prisme.

633 nm

539 nm

-  Conclusion : La lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est monochromatique.

3)- Lumière et longueur d’onde.

a)-   Récapitulatif :

-  La lumière blanche peut être dispersée à l’aide d’un réseau, d’un prisme et même de gouttes d’eau.

-  La figure lumineuse obtenue est appelée spectre de la lumière blanche.

-  Ce spectre est continu.

b)-   Longueur d’onde :

-  Une lumière monochromatique ne peut être décomposée par un prisme.

-  C’est une radiation lumineuse qui est caractérisée par sa longueur d’onde λ dans le vide ou l’air.

-  Son unité légale est le mètre (m).

-     On utilise aussi le nanomètre : 1 nm = 10^–9 m

-  Le laser rouge utilisé au lycée est une radiation de longueur d’onde λ = 633 nm.

-  C’est une lumière monochromatique.

-  Remarque :

-  Une lumière complexe est un mélange de plusieurs radiations.

-  Elle n’est pas caractérisée par une longueur d’onde. On lui associe une plage de longueurs d’onde.

4)- Domaine du visible.

-  L’œil humain n’est sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm.

-  La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles.

-  Spectre de la lumière blanche :

-  Images (Chroma v.3.6)

5)- Lumière et température de surface.

-  Exemple : lampe à incandescence.

-  On branche la lampe aux bornes du générateur (alimentation ajustable).

-  On règle la tension sur zéro et on met le générateur sous tension.

-  On augmente la tension tout en observant avec le spectroscope la nature de la lumière émise par la lampe.

-  Observations :

-  Lorsque la tension augmente, l’éclat de la lampe augmente aussi.

-  Au départ, la lumière est jaune orangé puis devient blanche.

-  Le spectre devient plus lumineux et il s’étale vers le bleu et le violet.

-  Conclusions :

-  Le spectre d’un corps incandescent dépend de la température de ce corps.

-  Plus le corps est chaud et plus le spectre s’étend vers le violet.

-  Le spectre de la lumière émise par un corps chaud est continu.

-  Ses caractéristiques dépendent de la température de surface de ce corps.

-  La radiation émise avec le maximum d’intensité dépend de la température de surface du corps.

-  Le spectre est plus lumineux et il s’enrichit vers le violet quand la température de surface du corps augmente.

III- Les spectres de raies d’émission.

1)- Expériences :

-  On analyse à l’aide du spectroscope la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure puis une lampe à vapeur de sodium.

-  La lampe à vapeur de mercure contient des atomes (Hg) de mercure sous faible pression.

-  Ces atomes subissent des décharges électriques et sont excités.

-  La lampe à vapeur de sodium contient des atomes de sodium (Na).

-  Eux aussi subissent des décharges électriques et sont excités.

-  Spectre de la lampe à vapeur de mercure :

-  Les principales longueurs d’ondes (les plus visibles) : 615 nm, 568 nm, 546 nm, 542 nm, 436 nm,  405 nm.

-  Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

-  Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm (en réalité, il s’agit d’un doublet :589,0 nm et 589,6 nm)

2)- Interprétation :

-  Les spectres de ces lumières ne sont pas continus.

-  On parle de spectre de raies d’émission

-  Chaque spectre est composé de raies colorées sur fond noir

-  Chaque raie colorée correspond à une radiation émise par l’entité.

-  Conclusion :

-  Les radiations émises par une entité chimique (atome, ion) sont caractéristiques de cette entité.

-  Dans un spectre de raies d’émission, les longueurs d’onde des différentes radiations présentes permettent d’identifier l’entité chimique.

-  Un gaz, à faible pression et à température élevée, émet une lumière constituée d’un nombre limité de radiations.

-  On obtient un spectre de raies.

-  Le spectre obtenu est caractéristique des atomes du gaz qui émet les radiations.

-  Un spectre de raies constitue la signature d’un élément chimique et révèle sa présence.

-  Il permet d’identifier une entité chimique (atome ou ion).

IV- Applications.

1)- Analyse spectrale :

a)-   Analyse spectrale de la lumière émise par une étoile.

-     Document : Extrait du spectre visible du Soleil :

-     La surface chaude des étoiles émet une lumière dont le spectre est continu.

-     Certaines radiations de cette lumière blanche traversant l’atmosphère de l’étoile sont absorbées par les atomes qui y sont présents.

On obtient le spectre d’absorption de l’étoile.

-     La couleur de l’étoile permet de déterminer sa température de surface.

b)-  Profil spectral d’une étoile :

-     Document : Profil spectral de la lumière émise par le  Soleil :

https://observatoiredetriel.com/

-  Le profil spectral d’une étoile est la courbe qui représente l’intensité lumineuse des radiations émises par cette étoile en fonction de la longueur d’onde.

-  Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil absorbent certaines radiations lumineuses.

-  Ceci se traduit par l’apparition de raies sombres dans le spectre de la lumière émise par le Soleil et par des minima d’intensité lumineuse dans le profil spectral.

-  Les longueurs d’onde correspondantes permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil.

-  La température de surface du Soleil a une influence sur l’allure globale du profil spectral.

-  La longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse est notée λ_max.

-  La valeur de  λ_max diminue lorsque la température de surface de l’étoile augmente.

-  Une étoile bleue est plus chaude qu’une étoile rouge.

-  Le profil spectral de la lumière émise par le Soleil permet de déterminer la valeur de  λ_max.

-  λ_max = 480 nm.

-  Cette valeur permet de déterminer la valeur de la température de la surface du Soleil.

-  Cette température est voisine de 5700 °C.

-  D’autre part, les minima d’absorption montrent que l’atmosphère du Soleil contient essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium.

c)-   Conclusions ;

-     -  L’analyse de la lumière provenant d’une étoile permet de connaitre :

-     -  Sa température de surface

-     -  La composition chimique de son atmosphère.

2)- QCM :

Sous forme de tableau

3)- Exercices : Lien vers les exercices