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Activité 10 – TP : observer les spectres lumineux TP EXPÉRIMENTAL

Ch10 – Ondes EM | 1ère ICCER | ⏱ 1 h (TP) | Binôme

Dernière mise à jour : 30 mai 2026

Ce que tu vas apprendre :

🤔 Avant de commencer

D'où viennent les couleurs d'un arc-en-ciel ?

L'arc-en-ciel apparaît quand la lumière du soleil traverse des gouttes d'eau qui agissent comme des prismes : la lumière blanche (= mélange de toutes les longueurs d'onde) est décomposée. Le rouge (λ ≈ 700 nm) est moins dévié que le violet (λ ≈ 400 nm), d'où les couleurs étalées. Le spectre solaire est continu, donc l'arc-en-ciel l'est aussi.

Objectif du TP

Observer et comparer les spectres de différentes sources lumineuses : lampe à incandescence, lampe basse consommation (fluo), LED blanche, lampe halogène, soleil. Identifier le type de spectre et les éléments chimiques s'il y en a.

🧰 Matériel

3 types de spectres lumineux Spectre continu (incandescence) Spectre de raies (lampe sodium) 589 nm Spectre de bandes (lampe fluo)

📖 Vocabulaire

Spectre continu
Toutes les longueurs d'onde présentes. Caractéristique d'un corps chaud (étoile, filament).
Spectre de raies
Quelques λ précises seulement. Émission par des atomes excités (gaz raréfiés). Permet d'identifier un élément.
Spectre de bandes
Plusieurs raies regroupées. Typique de lampes fluo (mélange phosphore + mercure).

Protocole — Partie A : observation

  1. Pointer le spectroscope vers chaque source, à 50 cm.
  2. Observer le spectre obtenu dans l'oculaire (ou sur l'écran si projection).
  3. Noter : type de spectre (continu / raies / bandes), couleurs visibles, intensité.
  4. Si raies : noter la position approximative en nm (curseur sur réseau gradué).

Q1 APP — Tableau d'observation

SourceType spectreCouleurs visiblesRaies notées (nm)
Incandescence 40 W......—
LED blanche.........
Fluo compacte.........
Lampe sodium.........
Soleil (fenêtre)......(raies sombres)

Incandescence : spectre continu avec déficit du bleu (couleur chaude).

LED blanche : spectre quasi continu mais avec un pic vers 450 nm (bleu LED) + bande jaune (phosphore).

Fluo : raies discrètes (mercure 405-435-546 nm + phosphores).

Sodium : 2 raies très proches au 589 nm (doublet sodium D).

Soleil : continu + raies sombres (raies de Fraunhofer, absorption par l'atmosphère solaire).

Q2 ANA

Pourquoi la lampe à sodium n'émet-elle qu'à 589 nm ? Couleur observée ?

Quand un atome de sodium est excité (chauffé, courant électrique), ses électrons sautent à des niveaux d'énergie élevés, puis retombent en émettant des photons d'énergie bien précise. Pour le sodium : la transition principale émet à 589 nm = jaune-orangé. C'est la couleur caractéristique des éclairages urbains anciens (autoroutes).

Chaque élément a sa signature spectrale. Helium 587 nm, hydrogène 656 nm rouge, mercure 546 nm vert. C'est le principe de l'analyse chimique par spectroscopie.

Q3 REA

Calculer la fréquence et l'énergie d'un photon jaune sodium (λ = 589 nm). h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s.

f = c/λ = 3 × 10⁸ / (589 × 10⁻⁹) ≈ 5,09 × 10¹⁴ Hz.

E = h·f = 6,63 × 10⁻³⁴ × 5,09 × 10¹⁴ ≈ 3,4 × 10⁻¹⁹ J ≈ 2,1 eV.

Énergie typique d'un photon visible. Les UV ont plus d'énergie, les IR moins.

Q4 ANA

Lumière LED blanche au spectre : pic bleu fort + bande jaune diffuse. Expliquer la fabrication.

LED blanche = LED bleue (semi-conducteur InGaN, λ = 450 nm) + un phosphore jaune (YAG:Ce). Une partie du bleu excite le phosphore qui réémet en jaune (bande large). Le mélange bleu + jaune perçu = blanc par l'œil.

D'où le pic bleu marqué dans le spectre, qui peut perturber le sommeil (lumière dite « bleue », antagoniste de la mélatonine). Solutions : LED « warm » (filtre rouge ajouté), filtres lunettes pour soir.

Q5 ANA

Pourquoi le spectre solaire présente-t-il des raies sombres (« raies de Fraunhofer ») ?

Le cœur du Soleil émet un spectre continu (corps noir à 5 800 K). En traversant l'atmosphère solaire (gaz plus froids), certaines λ sont absorbées par les atomes de cette atmosphère. Résultat : raies noires dans le spectre observé.

Chaque raie identifie un élément : raies du fer, du sodium, de l'hydrogène, de l'hélium (découvert ainsi en 1868 !). Permet l'analyse chimique des étoiles à distance.

Q6 ANA

Quel est l'intérêt en astronomie d'analyser les spectres des étoiles ?

  1. Composition chimique : raies identifient les éléments présents.
  2. Température : profil du continu (rouge = froid, bleu = chaud, loi de Wien).
  3. Mouvement : effet Doppler. Raies déplacées vers le rouge = s'éloigne, vers le bleu = se rapproche. C'est ainsi qu'on a découvert l'expansion de l'Univers (Hubble, 1929).
  4. Exoplanètes : variation périodique des raies = présence d'une planète en orbite. Plus de 5 000 exoplanètes détectées par cette méthode depuis 1995.

Q7 VAL

Critiquer l'incandescence vs LED en termes spectraux et énergétiques.

Incandescence : spectre continu chaud (bonne qualité de rendu des couleurs IRC ~ 100), mais 97 % de l'énergie est émise en IR (chaleur perdue). Très inefficace : 13 lm/W.

LED : spectre piqué + bandé, IRC 80-90. Mais 90 % de l'énergie est dans le visible. Efficacité 100-150 lm/W = 10× mieux. Plus de chaleur perdue.

Incandescence interdite à la vente depuis 2012 en UE pour cause de gaspillage. La LED domine désormais.

Q8 COM — Compte-rendu (10 lignes)

TP — Spectres lumineux — [Nom, Prénom, classe, date]
Objectif : observer et identifier des spectres lumineux.
Matériel : spectroscope, 5 sources lumineuses.
Observations : incandescence = spectre continu chaud. LED = continu avec pic bleu. Fluo = spectre de raies (Hg + phosphores). Sodium = raie jaune 589 nm. Soleil = continu + raies de Fraunhofer.
Calculs : photon jaune Na : f = 5,09 × 10¹⁴ Hz, E = 2,1 eV.
Conclusion : chaque source a une signature spectrale unique. Permet l'identification des éléments (sodium = raie 589 nm). Application : analyse étoiles, contrôle pollution lumineuse, éclairage adapté.

✅ Auto-évaluation

Bonus — Pourquoi le ciel est-il bleu et le soleil couchant rouge ?

Phénomène de diffusion de Rayleigh : les molécules d'air (N₂, O₂) diffusent les longueurs d'onde courtes (bleu) 16× plus que les longues (rouge), car la diffusion ∝ 1/λ⁴.

Journée : lumière du soleil traverse peu d'atmosphère. Le bleu diffuse dans toutes les directions → ciel bleu partout, soleil légèrement jaunâtre.

Coucher : lumière traverse beaucoup d'atmosphère (rayon tangentiel). TOUT le bleu/vert diffusé en route → on ne voit que les longueurs d'onde rouges qui ont survécu. Soleil rouge orangé, ciel rosé.

À retenir

📚 TP de fin de chapitre Ch10.