Cours de Physique et de Chimie

Construction géomètrique d'un objet par une lentille convergente

Corentin GARRAULT — 2011-11-16T17:16:06Z

En attendant mieux, je vous conseille de faire la lecture des articles suivants :

Lentilles minces convergente : images réelle et virtuelle

Fonctionnement comparé d'un œil et d'un appareil photographique

Accommodation

Distance focale et Vergence

L'œil, modèle réduit de l'œil

Différentes sources de lumière : étoiles, lampes variées, laser, DEL, etc.

Corentin GARRAULT — 2011-10-03T09:22:15Z

Version 1 (bêta)

Principe général de fonctionnement

Les lampes à incandescence
Les tubes fluorescent et les lampres fluocompactes
Les lampes à décharge ( dans un gaz)
Le LASER

Téléchargez l'animation ci-jointe :

Et que dire sur les Spectres ?

Spectre de raies continu d'une lampe à incandescence :


Lampe à incandescence: http://www.hotosting.com/ampoulebasseconsommation/Ampoules_a_incandescences.html

Spectre de raies d'émission d'un tube fluorescent :


Spectre tube fluorescent: http://www.jp-petit.org/UFOSCIENCE/spectro/rapport_assises_gesto_ufo_science.htm


Spectre Tube Fluorescent

A comparer avec le spectre de raies d'émission d'une lampe au mercure :

Spectre de raies d'émission d'un LASER Rouge :

Spectre de raies d'émission d'une étoile, le Soleil par exemple :

Modèle corpusculaire de la lumière : le photon. Énergie d'un photon.

Corentin GARRAULT — 2011-10-03T08:27:40Z

Version 1 (bêta)

Liens

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon
http://www.astrosurf.com/omega-astro/notions/la_lumiere.html

Modèle corpusculaire de la lumière : le photon

Introduction

"La question de la nature de la lumière intrigua bon nombre de scientifiques et de savants : certains pensaient que la lumière était une onde, d'autres pensaient qu'elle était constituée de petit corpuscule. La question fut tranchée lorsque l'on découvrit que la lumière subissait une diffraction, lors de son passage dans un petit obstacle. La diffraction est un phénomène propre aux ondes, la lumière serait donc une onde. Or, on découvrit aussi au début du XXème siècle que la lumière est constituée de corpuscules. Qui avait tort ? Qui avait raison ? En réalité, les deux camps ont raison, la lumière est à la fois une onde, et un ensemble de corpuscule. Nous allons donc voir quelques caractéristiques de la lumière, dans un premier temps nous verrons les caractéristiques de la lumière en tant qu'onde, puis nous parlerons ensuite du modèle corpusculaire.

L'aspect Ondulatoire

La lumière est une onde électromagnétique. Elle se propage dans le vide à une vitesse d'environ 300 000 km/s, limite infranchissable fixée par la relativité restreinte d'Einstein. Avant de rentrer dans les caractéristiques de la lumière, nous devons d'abord nous familiariser avec quelques notions concernant les ondes. La longueur d'onde λ d'une onde est la distance entre deux crêtes ou deux creux de l'onde. La longueur d'onde λ est inversement proportionnelle à la fréquence ν de l'onde, c'est à dire que plus la longueur d'onde est grande, plus la fréquence est petite, et inversement, plus la longueur d'onde λ est petite, plus la fréquence ν est grande.
Vous avez déjà surement entendu parler d'infrarouge, ultraviolet ou encore de rayons X. En réalité, tous ces types de rayonnement sont de même type que la lumière. Ce qui définit la nature du rayonnement est sa longueur d'onde λ (voir l'article sur les domaines des ondes électromagnétiques). Par exemple, les ondes radio ont une longueur d'onde de 10 cm environ. La lumière visible (les couleurs de l'arc-en-ciel, rouge orangé jaune vert bleu indigo violet) se situe sur une toute petite portion du spectre, entre 700 nm (1 nanomètre = 10^-9 m = 0,000 000 001 m) et 400 nm. Les couleurs proviennent du fait que la lumière blanche soit absorbée par les éléments chimiques, qui ne laissent passer que certaines longueurs d'ondes. Ainsi, si vous voyez un objet rouge, cela signifie que les éléments chimiques le constituant ont absorbé les couleurs verte, bleu, indigo et violette, pour ne laisser passer que les longueurs d'ondes correspondantes aux rouge, orangé et jaune. Prenons un exemple concret : notre ciel est bleu, pourquoi ? Car notre atmosphère absorbe la partie inférieure du spectre, correspondant aux grandes longueurs d'ondes et ne laisse passer que les petites longueurs d'ondes correspondant aux couleurs rouge, orangé et jaune.

L'aspect Corpusculaire

Maintenant que nous avons vu l'aspect ondulatoire de la lumière, nous allons nous intéresser à l'aspect corpusculaire.
La particule de lumière, les "grains de lumière" sont appelés les photons. Le photon est une particule ne possédant pas de masse. Il se déplace à la vitesse de la lumière, qui est d'environ 300 000 km/s comme nous l'avons déjà vu. Dans le modèle corpusculaire de la lumière, il faut raisonner en terme d'énergie. L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ de la lumière correspondante. Par exemple, pour les rayons gamma, dont la longueur d'onde λ est très petite, de l'ordre de 0,001 nm, les photons seront extrêmement énergétique, tandis que pour les ondes radio, dont la longueur d'onde λ est relativement grande (environ 10cm), les photons auront une faible énergie." (voir le site d'astrosurf.com, lien ci-dessus)

L'énergie d'un photon

L'énergie d'un photon est donc fonction de sa longueur d'onde λ et obéit à la relation :

E = h ν = h c / λ

Avec :

E : énergie en J
h : constante de Planck = 6,63.10^-34 J.s
c : célérité de la lumière dans le vide = 3,00.10⁸ m/s
λ : longueur d'onde en m
ν : fréquence en Hz

Quantification des niveaux d'énergie de la matière.

Corentin GARRAULT — 2011-10-03T08:01:15Z

Version 1 (bêta)

Lien

http://e.m.c.2.free.fr/niveaux-energie-hydrogene-emission-absorption.htm

Simulation de l'excitation et la désexcitation d'un atome

Lorsque l'atome reçoit certaines longueurs d'ondes électromagnétiques, ses électrons peuvent absorber de l'énergie en absorbant un photon ou bien peuvent émettre de l'énergie en émettant un photon. C'est ce que montre la simulation ci-dessous.

Simulation : excitation et désexcitation d'un atome

Quelques explications

"Le gain d'énergie peut se faire si l'atome absorbe une radiation lumineuse de fréquence ν ou de longueur d'onde λ (dans le spectre de la lumière éclairant l'atome, on aura une raie sombre sur fond brillant et le spectre de la lumière reçue sera un spectre de raies d'absorption).

L'émission de lumière peut se faire, par perte d'énergie de l'électron, si l'électron passe d'un niveau excité à un niveau de plus basse énergie : raie brillante sur un fond sombre et on aura un spectre de raies d'émission.

h = 6,63.10^-34 m².kg.s^-1 ( ou J.s) est la constante de Planck, c est la célérité de la lumière dans le vide c = 3,00.10⁸ m.s^-1. ΔE doit être en joules si l'on veut la longueur d'onde λ en mètres.

On note qu'un atome peut absorber les mêmes fréquences lumineuses que celles qu'il peut émettre (même ΔE). Le saut de l'électron ne se fait pas obligatoirement sur le niveau immédiatement voisin." (Voir le site : e.m.c.2.free.fr, lien en haut de page)

Domaines des ondes électromagnétiques.

Corentin GARRAULT — 2011-10-03T07:32:08Z

Version 1 (bêta)

Voici pèle-mêle quelques images illustrant les différents domaine des ondes électromagnétiques en tenant compte de leur longueur d'onde. Le dernier document n'est pas le plus simple mais le plus exhaustif (voir page 2).

Les domaines de manières succinctes

Ce qui parvient à traverser notre atmosphère

Dans le détail

EN PLEINE PAGE : Cliquez ICI

Couleur des corps chauffés. Loi de Wien.

Corentin GARRAULT — 2011-10-02T16:42:01Z

Version 1 (bêta)

Comment les scientifiques peuvent affirmer connaître la température d'une étoile sans y être aller faire une mesure directe ?

La réponse vient de l'analyse de la répartition de l'intensité lumineuse du spectre de chacune de ces étoiles. De cette analyse, on tire la valeur de la longueur d'onde pour laquelle on note le maximum en intensité lumineuse : λmax

Puis on applique la loi de Wien :

T = 2,9.10^-3 / λmax

avec :
T : température en kelvin (K)
λmax longueur d'onde en m

Regardez les animations ci dessous :

Couleur d'une étoile ete sa température

spectres et températures

Exemple de calcul

Pour notre Soleil :
Le maximum de rayonnement est obtenu pour le vert (et pourtant on parle d'étoile jaune !) vers une longueur d'onde λ = 500 nm = 5.10^-7 m

T = 2,9.10^-3 / 5.10^-7
T = 5800 K

La température à la surface du Soleil est donc de l'ordre de 6000 K.

Interaction lumière-matière : émission et absorption.

Corentin GARRAULT — 2011-10-02T11:47:42Z

Version 1 (bêta)

La lumière est capable d'interagir avec le matière. Plus précisément, au niveau microscopique, les photons qui composent la lumière peuvent interagir avec les atomes qui constituent la matière.

Mais quel est leur mode d'action ?

Chaque photon a une longueur d'onde qui lui est associé. Par exemple, une longueur d'onde λ égale à 400 nm, sera un photon "violet" (comprendre : un photon dont la lumière nous apparait comme violette), alors qu'un photon de longueur d'onde λ égale à 750 nm, sera un photon "rouge".

Absorption

Ces photons en fonction de leur longueur d'onde λ peuvent interagir avec seulement certains atomes de la matière. Cette interaction se traduit par l'absorption de ces photons (ceux dont la longueur d'onde correspond à l'élément chimique de la matière étudiée). Lors de l'absorption, l'énergie lumineuse du photon est transmise à l'atome. Elle est alors transformée en une autre énergie qui se traduit par l'excitation de l'atome. A cette occasion de la lumière disparait du spectre, ce qui donne naissance à un spectre de raies d'absorption.

Émission

Un atome excité (par conversion d'énergie lumineuse ou électrique) libère un photon lorsqu'il revient dans son état normal (comprendre : non excité). Lors de cette "désexcitation" l'atome émet un photon de longueur d'onde identique à celui qui a servi à son excitation (cette explication est une simplification du phénomène).

Résumé

On retiendra que l'atome ne peut échanger que certaines quantités d'énergie et pas d'autres.
Lors de l'absorption :
l'énergie lumineuse du photon absorbée permet la création d'un spectre de raies d'absorption ;
si l'atome est excité électriquement, l'énergie électrique absorbée est égale à celle qui aurait été absorbée par conversion de l'énergie lumineuse. Dans ce cas, il n'y a pas de lumière donc pas de spectre.

Lors de l'émission, l'énergie qui a servi à excité l'atome est libérée sous forme d'énergie lumineuse. Il y alors création d'un spectre de raies d'émission.

Spectre solaire.

Corentin GARRAULT — 2011-10-02T08:51:55Z

Version 1 (béta)

Habituellement,le spectre de raies du soleil est considéré comme étant continu. Cependant, cette observation n'est juste que si l'appareil utilisé pour décomposer la lumière venant du Soleil, n'est pas très précis (c'est le cas des spectroscopes à réseau 530 nm utilisés en TP).

En réalité, le spectre de raies du soleil contient de nombreux petits trous. Ces petits trous sont appelées raies d'absorption. Le spectre du soleil n'est donc pas continu, mais discontinu. Il s'agit d'un spectre de raies d'absorption.

Mais "qui" absorbe ces petits fragments lumineux du spectre ? Ce sont les atomes de gaz contenus dans l'atmosphère solaire qui absorberont ces petits fragments de couleur (raies de lumière qui correspondent à des longueurs d'onde très particulières. En effet ce sont de véritable cartes d'identité qui permettent d'identifier ces atomes à distance).

Pour mieux comprendre le texte ci-dessus, je vous engage à voir l'animation ci-dessous :

Spectre solaire

Relation E = hν dans les échanges d'énergie.

Corentin GARRAULT — 2011-10-02T05:21:42Z

Version 1 (bêta)

Relation E = hν

Les spectres de raies d'absorption ou d'émission d'un même élément chimique sont discontinus et complémentaires.
En d'autres termes :
spectre de raies d'absorption + spectre de raies d'émission = spectre de raies continu

L'emplacement (la longueur d'onde) de ces raies dans le spectre de la lumière correspond à l'absorption ou l'émission par l'élément chimique de photons ayant la même longueur d'onde que celles des raies de son spectre.

Ces photons ont une énergie qui leur est propre. Cette énergie est inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ (ou si vous préférez, elle proportionnelle à la fréquence ν de l'onde électromagnétique qu'est le photon).
Ainsi, on a :

E = hν avec : ν = c / λ

avec :

E : énergie en J
h : constante de Planck soit 6,63.10^-34 J.s
ν : fréquence en Hz
c : célérité de la lumière dans le vide soit 3,00.10⁸ m/s
λ : longueur d'onde en m

On comprend aisément que lorsqu'un photon de fréquence ν (ou de longueur d'onde λ) est absorbé cela correspond à l'absorption d'une énergie par l'élément chimique placé sur le chemin de la lumière empreinté par le photon absorbé. (Même raisonnement lors d'une émission).

Ainsi, les raies d'absorption ou d'émission correspondent, respectivement, à une énergie absorbé ou émise par un élément chimique. Il s'agit donc d'un transfert d'énergie lumière-matière ou matière-lumière. Il faut retenir que les valeurs de ces échanges énergétiques sont fonction de la nature de l'élément chimique. En effet, chaque élément chimique a son propre spectre de raies d'émission et d'absorption.

Exemples de spectre de raies d'absorption :

Hydrogène (H) (série de Balmer)

Sodium (Na)

Mercure (Hg)

Transformations J <-> eV

L'énergie d'un photon a une valeur très faible en joule (J). Pour mieux les comparer, il est souvent commode de changer d'échelle pour avoir des valeurs sans puissance de dix négatives.

Ainsi, on a :

1 eV = 1,60.10^-19 J

Exemples :

E = 13,6 eV = 13,6 x 1,60.10^-19 = 2,17.10^-18 J

E = 3,54.10^-19 J = 3,54.10^-19 / 1,60.10^-19 = 2,21 eV

Lentilles minces convergentes : images réelle et virtuelle.

Corentin GARRAULT — 2011-09-19T19:01:05Z

Avec une lentille convergente

Image Réelle

Une image est réelle lorsqu'elle peut être obtenue sur un écran. Concrètement, l'image se situe alors du coté opposé à celui où est situé l'objet. La lentille convergente sépare alors les deux espaces (celui de l'objet et celui de l'image).

Image Virtuelle

Une image est virtuelle lorsqu'elle ne peut se former sur un écran. C'est le cas de la loupe (lentille convergente). On alors besoin d'un appareil imageur pour pouvoir la voir (comme l'œil par exemple). L'image est virtuelle lorsqu'elle est située du même coté de la lentille que l'objet.

Un logiciel pour revoir tout ça ?

http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/oeil/oeilindex.htm

Ce logiciel à installer vous fera revoir les points suivants :
Anatomie de l'œil
Pupille, Cristallin
Les photorécepteurs
La formation des images
Vision et fonction cérébrale

(pour plus de détails voir le document PDF ci-dessous)


Documentation du logiciel