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Spectres d'émission Exercices. |
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Le système solaire : Les logiciels CELESTIA et STELLARIUM
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1)- Exercice 3 page 234 : Exprimer une valeur de vitesse :
Exprimer une valeur de vitesse : La relation qui lie la vitesse v, la distance parcourue
d et la durée du parcours Δt est : d = v .
Δt -
Quelle est la relation permettant de calculer
-
la vitesse v en fonction de d et Δt. a.
b.
v
= d . Δt.
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Exprimer une valeur de vitesse :
-
Relation permettant de calculer la
valeur de la vitesse :
-
relation
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2)- Exercice 5 page 234 : Utiliser la valeur de la vitesse de la lumière.
Utiliser la valeur de la vitesse de la lumière : La Terre est la troisième planète la plus proche du Soleil.
-
Déterminer la durée
Δt mise par la lumière
pour nous parvenir. |
Utiliser la valeur de la vitesse de la lumière : La Terre est la troisième planète la plus proche du Soleil.
-
Durée Δt mise par la lumière
pour nous parvenir.
-
Vitesse de la lumière :
-
c
= 3,00 × 10
8
m / s
-
distance parcourue :
-
d = 1,50 × 1011 m
-
Relation :
-
d =
c . Δt
-
On tire :
- |
3)- Exercice 9 page 234 : Comparer des spectres :
Comparer des spectres : On a représenté ci-dessous, à la même échelle, les spectres de la lumière émise par un corps chaud porté à deux températures différentes. 1. Expliquer pourquoi, dans les deux cas, on peut parler de spectres
continus. 2. Comparer ces deux spectres. Dans quel cas la température
est-elle la plus élevée ? |
Comparer des spectres : 1.
Spectres continus :
-
Les deux spectres sont continus car
il ne manque aucune radiation. 2. Comparaison des deux spectres.
-
Courbe bleue : - L’intensité lumineuse du spectre représenté par la courbe bleue
est plus importante que celle du spectre représenté par la courbe
rouge. - La longueur d’onde du maximum d’émission du spectre représenté par la courbe bleu λmaxB
est plus petite que celle du spectre représenté par la courbe rouge λmaxR.
-
λmaxB <
λmaxR
-
Il découle de ceci que la température
du corps dont le spectre est représenté en bleu est plus importante.
-
Courbe rouge : |
4)- Exercice 11 page 234 : Reconnaître des spectres :
Reconnaître des spectres
-
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 (soit le spectre
a).
-
Le spectre
obtenu est caractéristique des atomes du gaz qui émet
les
radiations.
-
Chaque spectre est composé de raies
colorées sur fond noir.
-
Chaque raie colorée correspond à une
radiation émise par l’entité.
-
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. - Le spectre b : - Le spectre b est un spectre continu. Dans le cas présent, toutes les radiations de 400 nm à 700 nm sont présentes. On est en présence du spectre de
la lumière blanche. |
5)- Exercice 13 page 235 : Étudier un spectre :
Étudier un spectre : Trois raies (1, 2, 3) ont été repérées sur un spectre ci-dessous. |
Étudier un spectre :
-
La raie
1 (bleue) :
-
-
La raie 2 (cyan)
-
-
La raie 3 (rouge)
-
-
Tableau :
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6)- Exercice 14 page 235 : Représenter un spectre.
Représenter un spectre : 1.
Représenter un axe de longueurs d’onde
allant de 500 nm à 650 nm avec une
échelle : 1 cm ↔ 10 nm 2.
Représenter en couleurs quelques raies du
spectre d’émission du néon sur cet axe.
-
Données :
|
Représenter un spectre : 1.
Axe de longueurs d’onde allant de 500 nm à
650 nm : 1 cm ↔ 10 nm 2.
Couleurs de quelques raies du spectre
d’émission du néon sur cet axe.
-
Une partie du spectre d’émission du
néon :
-
Spectre d’émission du néon : |
Étude d’un profil spectral : On a réalisé, à l’aide d’un spectrophotomètre, le spectre de la lumière émise par l’hélium, reproduit ci-dessous. 1.
Estimer les longueurs d’onde des radiations
a,
b,
c,
d et
e émises par le gaz hélium. 2.
Combien de raies colorées observe-t-on sur
le spectre de la lumière émise par l’hélium ? 3.
La lumière émise par l’hélium est-elle une
lumière monochromatique ? |
Étude d’un profil spectral : 1.
Estimation les longueurs d’onde des
radiations a,
b,
c,
d et
e émises par le gaz hélium.
-
On réalise une exploitation du
graphique :
-
Tableau de valeurs :
2.
Nombre de raies colorées observées sur le
spectre de la lumière émise par l’hélium : - On observe cinq raies colorées.
- Les
différentes raies correspondent aux pics observés sur le profil spectral de la lumière émise par
l’hélium.
-
On observe un petit pic vers 495 nm.
-
Il correspond une raie à ce pic qui
ne doit pas être assez lumineuse pour être observée.
-
On peut représenter le spectres
d’émission de l’hélium : 3.
La lumière émise par l’hélium :
-
La lumière émise par l’hélium n’est
pas une lumière monochromatique.
-
Cette lumière est constituée d’un
nombre fini de radiations lumineuses (5 dans le cas présent).
-
C’est une lumière polychromatiques
(elle possède plusieurs radiations).
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Toute la lumière sur les lampes. Les lampes à décharge sont constituées d’un tube de verre contenant un gaz qui, soumis à un courant électrique, émet de la lumière. Le spectre de la lumière émise par une de ces lampes est représenté ci-dessous : 1.
De quel type de spectre s’agit-il ? 2.
S’agit-t-il du spectre d’une lumière
monochromatique ? 3.
Étude du spectre : a.
Repérer les longueurs d’onde des radiations
présentes dans le spectre de la lumière
émise par cette lampe. b.
Identifier l’entité responsable de
l’émission lumineuse.
-
Données : - Longueurs d’onde (en nm) qe quelques radiations caractéristiques (on se limite à 4 raies pour chaque spectre) de trois entités :
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Toute la lumière sur les lampes. 1.
Type de spectre :
-
On est en présence d’un spectre de
raies d’émission (raies colorées sur fond noir) 2.
Spectre polychromatique : - On est en présence d’une lumière polychromatique. Le spectre est constitué de 4 raies d’émission. 3.
Étude du spectre : a.
Longueurs d’onde des radiations présentes
dans le spectre de la lumière émise par cette
lampe.
-
Exploitation du spectre : mesures
réalisées avec Word.
-
Raie 1 : raie violette
-
-
Raie 2 : raie bleue
-
-
Raie 3 : raie cyan
-
-
Raie 4 : raie rouge
-
-
Tableau :
-
Il s’agit du spectres d’émission de
l’atome d’hydrogène.
Spectre
d’émission de l’hydrogène
Pour aller plus loin : Les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène.
-
Spectre d’émission de l’atome
d’hydrogène Domaine de fréquences 380 nm ≤ λ ≤ 700 nm
-
Spectre d’émission du lithium :
-
Spectre d’émission du mercure : |
9)- Exercice 19 page 236 : Identification d’un gaz :
Identification d’un gaz. On a réalisé, à l’aide d’un spectrophotomètre, le spectre de la lumière émise par un gaz excité (Spectre
A). A.
Spectre de la lumière émise par un gaz. 1.
Repérer, par peur longueur d’onde, les
radiations émises par ce gaz. 2.
Identifier le gaz.
-
Données :
-
Longueurs d’onde (en nm) de quelques
radiations caractéristiques de trois entités.
|
Identification d’un gaz. Spectre de la lumière du gaz. 1.
Les radiations émises par ce gaz.
-
Exploitation du graphique :
-
Tableau de valeurs :
2.
Identifier le gaz.
-
Données :
-
Longueurs d’onde (en nm) de quelques
radiations caractéristiques de trois entités.
-
Le gaz qui est en accord avec les
valeurs trouvées et l’hélium.
-
Les radiations émises par un gaz sont
caractéristiques de ce gaz.
-
Elles constituent sa carte
d’identité.
-
Spectre d’émission de l’hélium :
-
Spectre d’émission du mercure :
-
Spectre du cadmium : |
10)- Exercice 23 page 237 : La distance Terre-Lune :
La distance Terre-Lune : Lors des missions lunaires, les astronautes ont déposé des miroirs sur la Lune. Ces miroirs sont utilisés pour déterminer précisément la distance entre la Terre et la Lune (au moment de la mesure). Une mesure a donné pour l’aller-retour de la lumière une durée Δt = 2,4292278641 s avec une précision de 3 × 10–10
s. 1.
Schématiser le trajet de la lumière. 2.
Les différents calculs. a.
Exprimer la distance d entre la
station laser et le miroir visé à la surface de la Lune en
fonction de c et Δt. b.
Calculer cette distance d sachant
que : c = 299792458 m . s–1. c.
Quelle distance la lumière parcourt-elle en
3 × 10–10 s ? d.
En déduire la précision de la mesure de d.
|
La distance Terre-Lune : 1.
Schéma du trajet de la lumière. 2.
Les différents calculs. a.
Expression de la distance d entre la
station laser et le miroir visé à la surface de la Lune en fonction
de c et Δt.
-
2
d =
c .
Δt b.
Valeur de la distance d sachant que :
-
c = 299792458 m . s–1.
-
Δt = 2,4292278641 s
-
c.
Distance parcourue par la lumière en Δt’
= 3 × 10–10 s :
-
d’ =
c .
Δt’
-
d’ ≈ 299792458 × 3 × 10–10
-
d’ ≈ 0,09 m d.
Précision de la mesure de d.
-
l’incertitude absolue
sur cette mesure est :
-
Δd =
d’ =
0,09 m
-
En conséquence :
-
d – Δd
≤ d ≤
d + Δd
-
364132096,210
– 0,09 ≤ d ≤ 364132096,210
– 0,09
-
364132096,120
≤ d ≤ 364132096,300
-
Ou :
-
d = (364132096,210
± 0,09) m
-
En conséquence, le premier chiffre
après la virgule (1,
2 ou 3)
n’est pas connu.
-
Pour
d, on peut garder la
valeur suivante :
-
d ≈ 364132096 m
-
Ceci est en accord avec la règle
suivante : - Le résultat d’un calcul ne doit pas comporter plus de chiffres significatifs que la donnée qui en comporte le moins ( ici c = 299792458 m . s–1, 9 chiffres significatifs et Δt = 2,4292278641
s, 11 chiffres significatifs)
-
d ≈
364132096 m,
9 chiffres significatifs.
-
Il est souvent commode
de calculer l’incertitude relative donnée par la relation :
-
-
On appelle aussi cette grandeur :
précision de la mesure
-
Valeur de l’incertitude relative :
-
-
On peut exprimer cette grandeur en
pourcentage :
-
-
La précision est de 2,5 × 10–8
% |
11)- Exercice 24 page 237 : Les couleurs de flamme :
Les couleurs de flamme. A.
Protocole expérimental :
-
Chlorure de potassium {K+
(aq) + Cℓ– (aq)}
-
Chlorure de lithium {Li+
(aq) + Cℓ– (aq)}
-
Chlorure de strontium {Sr2+
(aq) + 2 Cℓ– (aq)}
-
Chlorure de calcium {Ca2+
(aq) + 2 Cℓ– (aq)}
-
Chlorure de sodium {Na+
(aq) + Cℓ– (aq)}
B.
Observations expérimentales.
1.
Interpréter les observations expérimentales. 2. Proposer un protocole expérimental permettant d’identifier le cation métallique présent dans une solution de chlorure métallique non étiquetée. 3.
Proposer une amélioration du protocole pour
identifier des ions strontium Sr2+
ou lithium Li+. |
Les couleurs de flamme :
1.
Interprétation des observations
expérimentales.
-
Cas de l’élément sodium :
-
Lampe à vapeur de sodium :
-
Spectre du sodium :
-
Couleur de flamme du sodium :
-
Remarques :
-
Le spectre de la lumière émise par la
flamme est semblable à celui de la lumière émise par la lampe à
vapeur de sodium.
-
Les
ions et les atomes émettent de la lumière dont le spectre
est
appelé : spectre de flamme
-
Il
est constitué de raies.
-
Les
radiations émises sont caractéristiques de la nature chimique
des
atomes ou des ions présents dans la flamme.
-
La couleur de la flamme est
caractéristique de la nature chimique
des
atomes ou des ions présents dans la flamme.
-
La couleur de la flamme permet de
caractériser un atome ou un ion. 2. Protocole expérimental permettant d’identifier le cation métallique présent dans une solution de
chlorure métallique non étiquetée.
d’un
bec bunsen.
3.
Amélioration du protocole pour identifier
des ions strontium Sr2+ ou lithium Li+.
-
On peut observer la flamme obtenue
avec un
spectrophotomètre à réseau.
-
Ainsi, on peut observer les
différentes raies d’émission
des entités chimiques et les comparer
avec leurs spectres
d’émission.
-
Ainsi, on peut les différenciés.
-
Spectre d’émission du strontium :
-
Spectre d’émission du lithium : - Il y a une différence entre le spectre du lithium de cet exercice et celui de l’exercice 19 page 236 (Toute la lumière sur les lampes). |
12)-Exercice 29 page 239 : Diagramme d’Hertzsprung-Russel :
A.
Diagramme d’Hertzsprung-Russel. -
Ce diagramme permet de classer les étoiles
en fonction de leur luminosité et de leur température de surface. B.
Spectres d’Aldébaran (a) et de Régulus (b). 1.
Évaluer la température de surface des
étoiles Aldébaran et Régulus à l’aide du diagramme A. 2.
Ces
résultats sont-ils en accord avec les informations tirées des spectres
B ? |
Diagramme d’Hertzsprung-Russel. 1.
Évaluation de la température de surface des
étoiles Aldébaran et Régulus à l’aide du diagramme
A. -
Exploitation graphique : -
Pour l’étoile Aldébaran, on trouve sur le
diagramme d’Hertzsprung-Russel une température voisine de 4400 ° C. -
C’est une étoile « froide ». -
Indications données par le logiciel
STELLARIUM : -
C’est une étoile géante orangée. C’est
l’étoile la plus brillante de la constellation zodiacale. -
Sa température de surface est de l’ordre de
3910 K, soit environ 4183 ° C. -
Pour l’étoile Régulus, on trouve sur le
diagramme d’Hertzsprung-Russel une température voisine de 14500 ° C. -
C’est une étoile « chaude ». -
Indications données par le logiciel
STELLARIUM : -
Régulus est un système stellaire constitué
de 4 étoiles, disposées en deux paires qui gravitent l’une autour de l’autre. -
Elle apparaît comme une étoile bleue-blanche -
C’est l’étoile la plus brillante de la
constellation du Lion. -
Sa température de surface est comprise entre
11 010 K et 15 400 K 2.
Les informations tirées des spectres B :
-
Analyse du profil spectral de l’étoile
Aldébaran (a) : -
Le maximum de l’intensité lumineuse se situe
dans l’orange et le rouge (entre 600 nm et 750 nm environ). -
L’étoile a une couleur orange. -
Analyse du profil spectral de Régulus. -
Le maximum de l’intensité lumineuse se situe
dans le bleu et le violet (entre 400 nm et 500 nm environ). -
L’étoile a une couleur bleutée. |
13)- Exercice : Aurions-nous raison avec cette hypothèse ?
Aurions-nous raison avec cette hypothèse ?
La grande nébuleuse d’Orion est un nuage de gaz situé à environ 1300 années-lumière de nous. Elle est visible à l’œil nu depuis l’hémisphère Nord. Sa température est environ 2 millions de degrés Celsius. Elle est essentiellement constituée d’hydrogène. -
Température d’un corps chaud en fonction de
la longueur d’onde de la radiation émise avec un maximum d’intensité : - Spectre de l’hydrogène obtenu avec un spectrophotomètre : -
Spectre de la lumière blanche : 1.
Année-lumière et distance : a. L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. Exprimer,
en mètre, une année-lumière. b.
Déterminer, en mètre, la distance séparant
la nébuleuse de la Terre. 2.
Comment compare la température de deux corps
chaud ? 3.
La couleur rouge de la lumière émise par la
nébuleuse peut-elle être due à sa température ? 4.
Longueur d’one et couleur : a.
Évaluer les longueurs d’onde des radiations
de la lumière émise par l’hydrogène. b.
En déduire que la couleur rouge est due à la
lumière émise par l’hydrogène. |
1.
Année-lumière et distance : a.
Expression de l’année-lumière, en mètre : -
D = 1 a.l =
c .
Δt -
D = 1 a.l ≈ 3,00 × 108
× (365,25 × 24 × 3600) -
D = 1 a.l ≈ 9,47 × 1015
m b. Distance séparant la nébuleuse de la Terre. - d = 1300 a.l ≈ 1300 ×
9,47 × 1015 -
d ≈ 1,23 × 1019 m 2.
Comparaison de la température de deux corps
chaud : -
Il faut comparer les profils spectraux des
lumières émises par ces corps chauds. -
Plus un corps est chaud et plus le spectre
s’étend vers le bleu et violet et plus il est lumineux. -
En conséquence, la longueur d’onde émise
avec le maximum d’intensité sera plus petite. 3.
La couleur rouge de la lumière émise par la
nébuleuse : -
La température de la nébuleuse d’Orion est
environ 2 millions de degrés Celsius. -
Exploitation du graphique : -
Pour la température voisine de 2 millions de
degrés Celsius, la longueur d’onde émise est : -
λ ≈ 1,2 nm -
Cette longueur d’onde n’appartient pas au
domaine du visible. -
Ce n’est pas cette radiation qui fait
apparaître la nébuleuse d’Orion rouge. -
Cette couleur rouge est liée à la présence
d’hydrogène au cœur de la nébuleuse d’Orion. -
La nébuleuse est essentiellement constituée
d’hydrogène gazeux. 4.
Longueur d’onde et couleur : a.
Les longueurs d’onde des radiations de la
lumière émise par l’hydrogène. -
Spectre d’émission de l’hydrogène et profil
spectral : -
Tableau de valeurs :
- On remarque que l’hydrogène émet une radiation rouge : -
λ4
≈ 656 nm. - C’est la radiation qui a l’intensité lumineuse la plus grande. -
C’est bien l’hydrogène gazeux qui est
responsable de la couleur rouge que l’on observe au cœur de la nébuleuse d’Orion. |
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