Exercitations de physique des dispositifs sur les découvertes liées à des éclipses de soleil , Exercices de Physique des dispositifs à impulsions
Eleonore_sa
Eleonore_sa7 May 2014

Exercitations de physique des dispositifs sur les découvertes liées à des éclipses de soleil , Exercices de Physique des dispositifs à impulsions

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Exercitations de physique des dispositifs sur les découvertes liées à des éclipses de soleil. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Partition lunaire, Découverte historique d’un nouvel élément chimique.
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EXERCICE II : DÉCOUVERTES LIÉES À DES ÉCLIPSES DE SOLEIL (5 points)

EXERCICE II : DÉCOUVERTES LIÉES À DES ÉCLIPSES DE SOLEIL (5 points)

Cet exercice se compose de deux parties indépendantes.

Certaines aides au calcul peuvent comporter des résultats ne correspondant pas au calcul à effectuer.

A. Partition lunaire

Des chercheurs du CEA de l’équipe d’Elisabeth Blanc viennent d’annoncer qu’une éclipse n’a pas

pour seul effet une baisse de la luminosité. Lors de l’éclipse du Soleil du 11 août 1999, à 12 h 16

précises, l’ombre de la Lune commence sa traversée de la France à la vitesse de 2850 km.h –1 sur un

axe Cherbourg-Strasbourg. Sur son passage, la température de l’air chute rapidement d’environ 5 °C.

Le déplacement de cette zone froide, à la même vitesse que celui de l’ombre (…), engendre dans son

sillage des ondes transversales dont la fréquence est largement inférieure à 20 Hz.

D’après la revue Les Défis du CEA - n° 97 octobre-novembre 2003

1. Ondes créées lors de l’éclipse

1.1. Définir une onde mécanique progressive.

1.2.Définir une onde transversale.

1.3.Dire, en justifiant la réponse, si les ondes créées lors de l’éclipse peuvent être sonores.

2. Caractéristiques des ondes créées

L’équipe en charge du projet a pu détecter à faible altitude, une série d’ondes dont la période

moyenne est de l’ordre de 10 minutes et la célérité moyenne est de l’ordre de 100 km.h – 1.

2.1. Vérifier que la fréquence de l’onde est effectivement largement inférieure à 20 Hz.

2.2. Ces ondes peuvent-elles être diffractées par des montagnes séparées par une distance de

10 km ? Justifier la réponse.

Aide au calcul

11 =1,7×10 6

- - 2 1

= 2,8×10 36

B. Découverte historique d’un nouvel élément chimique

Lors de l’éclipse totale du Soleil du 18 août 1868, le français Pierre Janssen et le britannique Norman

Lockyer ont analysé le spectre de la couronne solaire et ont remarqué qu’il présentait une raie

brillante dans le jaune très proche de celle du sodium. N. Lockyer a émis l’hypothèse que cette raie

était due à un nouvel élément qu’il baptisa hélium (du grec hélios qui signifie Soleil). Ce n’est que

vingt-sept ans plus tard que cet élément chimique fut identifié sur Terre.

Données :

Célérité de la lumière dans le vide : 8c = 2,998×10 m.s – 1

Constante de Planck : h = 6,626 × 10 – 34 J.s

1 eV = 1,602 × 10 – 19 J

Longueur d’onde de la raie D du sodium dans le vide : Na = 589,0 nm.

Longueur d’onde de la raie jaune de l’hélium dans le vide : He = 587,6 nm.

Aide au calcul

2 - 6,626 2,998 1,602 = 5,403 10 589,0

   2 -

6,626 2,998 = 2,110 10

587,6 1,602

 

2 - 6,626 2,998 = 2,105 10 589,0 1,602

 

2 -

6,626 2,998 1,602 = 5,416 10

587,6

  

1. Spectre d’énergie

1.1. Illustrer, en s’aidant d’un schéma de niveaux d’énergie d’un atome, le phénomène d’émission d’un

photon (quantum d’énergie lumineuse).

1.2. On note E l’énergie du photon émis lors d’une transition énergétique d’un atome.

Donner l’expression littérale de E en fonction de la longueur d’onde  de la radiation lumineuse émise

dans le vide, de la constante de Planck h et de la célérité de la lumière dans le vide c.

1.3. Raie D du sodium

1.3.1. Calculer la valeur de E en électronvolts, pour le rayonnement correspondant à la raie D

du sodium.

1.3.2. Déterminer, en s’aidant de la figure 2 page 7, à quelle transition correspond cette

émission.

1.4. L’énergie du photon correspondant à l’émission de la raie jaune de l’hélium (de longueur d’onde

He) est égale à 2,110 eV. En s’aidant de la figure 2 page 7, justifier que cette émission ne peut pas

être attribuée au sodium.

2. Formation de l’hélium dans le Soleil

Les noyaux d’hélium 3 et d’hélium 4 peuvent être produits par une suite de réactions nucléaires dont

les équations sont indiquées ci-dessous :

1 1 2 0 1 1 1 1

1 2 3 1 1 2

3 x 4 1 2 2 2 1

H H H e

H H He

He He He y H

  

 

  

2.1. Quel nom donne-t-on à ces réactions nucléaires ?

2.2. Parmi les noyaux 32He , 3 1H et

4 2He , lesquels sont isotopes ? Justifier.

2.3. Déterminer les valeurs de x et y dans la troisième équation de réaction et justifier la réponse en

précisant les lois de conservation utilisées.

2.4. On étudie dans la couronne solaire les spectres d’émission des atomes d’hélium 3 et d’hélium 4.

On rappelle qu’un spectre atomique caractérise la configuration électronique de l’atome (c’est-à-dire le

nuage d’électrons de l’atome).

2.4.1. Ces deux types d’atomes possèdent-ils la même configuration électronique ? Justifier.

2.4.2. Ces deux atomes auraient-ils pu être distingués l’un de l’autre expérimentalement dans le

spectre obtenu par Pierre Janssen et Norman Lockyer ?

Figure 2

état fondamental

Diagramme énergétique de l'atome de sodiumE (eV)

E 0 = - 5,139

E 1 = - 3,034

E 5 = - 1,798

E 3 = - 2,651

E 2 = - 2,959

E 4 = - 2,125

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