Analyse spectrale des ondes lumineuses

Chapitre 15 : Analyse spectrale des ondes lumineuses

Présentation

Ce chapitre traite de l’analyse spectrale des entités chimiques et introduit les concepts de raies d’émission, de longueurs d’onde associées et de spectres continus. Un rappel important est également fait sur la vitesse de la lumière dans le vide.

Place dans la progression

Ce chapitre trouve sa place dans le thème 3 du BO, intitulé Ondes et signaux. Il précède le chapitre 16, Propagation des ondes lumineuses, dans les propositions de progression téléchargeables en complément du livre du professeur. Il est aussi possible d’inverser l’ordre de ces deux chapitres centrés sur l’étude de la lumière.

Présentation        1

Place dans la progression        1

Activités        2

Activité d’exploration 1 : La température des étoiles        2

Activité expérimentale 2 : Le spectre du Soleil        4

Activité expérimentale 3 : L’étoile Polaire        7

Bilan        10

Exercices        10

QCM        10

Pour s’échauffer        11

Pour commencer        13

Différenciation        14

Pour s’entraîner        16

Pour aller plus loin        20

Problèmes et tâches complexes        21

Retour sur l’ouverture du chapitre        22

Activités

Les deux premières activités proposées sont conçues de manière à traiter séparément les spectres d’origine thermique et les spectres d’absorption. La troisième activité permet de faire le lien entre ces deux notions en mettant en parallèle les études réalisées. L’objectif est d’amener les élèves à proposer deux méthodes pour la classification d’une étoile.

Activité d’exploration 1 : La température des étoiles

Présentation

L’activité traite de deux notions en parallèle :

• la vitesse de propagation des ondes lumineuses dans le vide, avec l’apport de l’année-lumière ;
• la production de lumière d’origine thermique grâce à la température de surface.

Ces notions s’appuient sur l’exemple de Proxima du Centaure. Elles permettent de déterminer sa distance par rapport à la Terre, ainsi que sa température de surface par lecture graphique.

Durée estimée

• 30 minutes :

• 10 minutes pour la première question ;
• 20 minutes pour les autres avec l’appropriation de la notion sur l’évolution de la température de surface d’un corps et sa longueur d’onde du maximum d’émission.

Lien avec le programme

• Vitesse de propagation de la lumière dans le vide ou dans l’air.
• Propagation rectiligne de la lumière.
• Caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud.
• Citer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées.

Compétence

• APP : Extraire l’info utile sur des supports variés.

Réponse détaillée

1. Proxima du Centaure est située à une distance [pic 2] a.l. D’après le doc. 3, on peut calculer la distance [pic 3] parcourue par la lumière en une année, car elle se propage dans le vide à une vitesse [pic 4] m·s-1 :

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]  m

On peut donc convertir la distance [pic 8] :

[pic 9] m.

2. Par lecture graphique, on peut estimer approximativement [pic 10] nm. Il s’agit de la longueur d’onde pour laquelle l’intensité [pic 11] est la plus élevée selon le doc. 2.

3. D’après le doc. 4, on peut constater qu’au-delà de [pic 12] nm, les radiations électromagnétiques ne font plus partie du domaine du visible. Autrement dit, la longueur d’onde [pic 13] n’est pas associée à une couleur du domaine du visible.

4. D’après le doc. 5, la longueur d’onde du maximum d’intensité émise est liée à une température de surface [pic 14] proche de [pic 15] K. Selon le doc. 1, il s’agit donc d’une étoile relativement froide.

Synthèse

Pour estimer la température de surface d’une étoile, et ainsi les classer les unes par rapport aux autres, les astronomes peuvent se servir du profil d’intensité lumineuse. Il s’agit d’estimer à quelle longueur d’onde [pic 16] se situe le maximum d’intensité lumineuse émise. Ensuite, il faut se reporter à l’évolution de la température de surface d’un corps chaud en fonction de sa longueur d’onde du maximum d’intensité émise pour en déduire sa température.

Aide et éléments différenciants

Hormis la première question, l’ensemble de l’activité est plutôt documentaire, et donc orientée sur l’analyse de documents. Il faut veiller à ce que la première question, de type calculatoire, ne freine pas les élèves et soit bien comprise.

Ressources supplémentaire et pistes d’exploitation

• Pour les élèves les plus rapides, on pourra compléter l’activité en fournissant la loi de Wien [pic 17], et en les invitant à déterminer la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse émise à [pic 18] K, par exemple.

Activité expérimentale 2 : Le spectre du Soleil

Présentation

La deuxième activité aborde la notion de raies caractéristiques d’entités chimiques et introduit le spectre d’absorption du Soleil. La modélisation est utilisée pour déterminer un modèle affine entre des mesures effectuées sur un spectre de raies et les longueurs d’onde correspondantes.

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