Sources de lumière colorée

L’expérience préliminaire permet d’effectuer quelques rappels concernant les spectres d’origine thermique. Celle-ci est envisageable en classe entière, comme en groupe de TP.La recherche Internet proposée par la suite a pour but de mieux comprendre la notion de rayonnement. Elle peut être conduite en groupe de TP ou être donnée à faire à la maison comme travail préparatoire.Les parties III, IV et V constituent l’ossature de cette activité. Elles se doivent d’être traitées en groupe à effectif réduit. L’objectif est de montrer à l’apprenant que la loi de Wien est une conséquence liée au modèle du corps noir, ce dernier ayant ses propres limites. Par ailleurs, l’usage des TUIC est présent dans les parties IV et V.Enfin, l’exercice de synthèse permet de vérifier si l’exploitation de la loi de Wien est maîtrisée ; il sert également à jauger l’esprit d’initiative et d’ouverture de l’élève. Celui-ci peut être proposé lors d’une séquence ultérieure (en classe entière).On réalise le spectre de la lampe à incandescence d’un rétroprojecteur, en utilisant comme élément dispersif un réseau.A l’aide d’un alternostat, on augmente progressivement la tension d’alimentation du rétroprojecteur (initialement nulle) jusqu’à sa valeur nominale.On a vu précédemment qu’un corps peut émettre de l’énergie par rayonnement lorsque sa température augmente. Les caractéristiques de ce rayonnement dépendent de la température, mais aussi de la nature du corps, de son état de surface, etc.

Un corps noir est un corps dont les caractéristiques du rayonnement ne dépendent que de sa température. Ce corps « idéal » absorbe toutes les radiations qu’il reçoit !Les travaux réalisés en mécanique quantique et en thermodynamique statistique ont conduit à une relation formulée par Max Planck au début du XX^ème siècle ; cette dernière est relative à l’émittance énergétique M d’un corps noir pour chaque longueur d’onde λA l’aide de cette formule*, il est possible de tracer la courbe représentative des variations de l’émittance M en fonction de la longueur d’onde λ (et ce, pour différentes valeurs de température).Le réseau de courbes M = f(λ) est donné pour les températures suivantes : 4000 K, 4500 K, 5000 K, 5500 K et 6000 K.{* son expression n’est évidemment pas à connaître ; en revanche, son utilisation par un tableur – grapheur peut être envisagée lors d’une séance d’approfondissement}.

Concernant l’expérience qualitative de la partie « I. » 

Dans le cadre de cette manipulation, il est important de montrer et de rappeler aux élèves que tout corps porté à une certaine température donne lieu à un spectre d’origine thermique.En augmentant la tension d’alimentation du rétroprojecteur, on augmente par la même occasion l’intensité du courant qui circule dans la lampe. L’effet thermique mis en jeu est donc de plus en plus important, ce qui a pour conséquence d’élever la température du filament de la lampe.Lors de cette « montée » en température, on constate que l’intensité de la lumière émise par le filament est croissante ; de plus, le spectre (continu) s’enrichit de vert puis de bleu.Après avoir effectué les relevés sur les divers graphes, un double constat s’impose :- Lorsque la température du corps noir augmente, la valeur de l’émittance (puissance surfacique) augmente également ;- Lorsque la température du corps noir augmente, la longueur d’onde λ_max correspondant au maximum d’émittance diminue.Ces deux remarques (issues de données quantitatives) sont en parfaite adéquation avec celles de l’expérience introductive.Lorsque la température du filament dépasse 500°C, celui-ci commence à rayonner dans le rouge ; mais il est peu lumineux. En effet, la puissance totale émise est plus de mille fois inférieure à celle que ce même filament émet quand la lampe est alimentée sous sa tension d’usage.Par la suite, le spectre obtenu s’enrichit en vert puis en bleu lorsque la température du filament augmente : le décalage spectral de λ_max a bien lieu vers les longueurs d’onde courtes du domaine du visible.