Travaux pratiques de physique des dispositifs 15, Exercices de Physique des dispositifs à impulsions
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Eleonore_sa6 May 2014

Travaux pratiques de physique des dispositifs 15, Exercices de Physique des dispositifs à impulsions

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Travaux pratiques de physique des dispositifs sur la lampe a vapeur de sodium. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Étude de l'atome de sodium, Dispersion de la lumière émise, Diffraction de la lumière jaune...
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EXERCICE 2 : Lampe à vapeur de sodium (5,5 points)

2007/09 Polynésie EXERCICE 2 : Lampe à vapeur de sodium(5,5 points)

Lors d'une séance de travaux pratiques, des élèves utilisent une lampe à vapeur de sodium. Celle-ci émet une lumière jaune-orangé. Afin de comprendre l'origine de cette couleur, ils consultent leur livre de physique dans lequel figure le diagramme énergétique simplifié de l'atome de sodium reproduit ci-dessous :

Le niveau n = 1 est celui de plus basse énergie.

Données : • masse de l'électron : me = 9,10.10-31 kg • masse du proton : mp = 1,67.10-27 kg • constante de gravitation universelle : G = 6,67.10-11 SI • charge électrique élémentaire : e = 1,60.10-19 C • constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s • célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00.108 m.s-1.

1. Étude de l'atome de sodium

1.1. Donner la composition de l'atome de sodium 23 11

Na .

1.2. Le diagramme énergétique simplifié de l'atome de sodium montre que l'énergie

ne peut prendre que certaines valeurs. Comment qualifie-t-on alors l'énergie ? La mécanique de Newton permet-elle d'expliquer ces niveaux énergétiques ?

1.3. La couleur jaune-orangé correspond à une transition concernant les deux

premiers niveaux (n = 1 et n = 2). Représenter cette transition par une flèche sur le diagramme énergétique donné en annexe à rendre avec la copie dans

le cas d'une émission. Calculer la longueur d'onde  de la radiation émise par la lampe.

1.4. Déterminer, d'après le diagramme, la plus courte longueur d'onde de la radiation

que peut émettre l'atome de sodium. Préciser, en le justifiant, à quel domaine spectral appartient cette radiation.

énergie (eV)

E = 0

E5 = -1,38

E4 = -1,51

E3 = -1,93

E2 = -3,03

E1 = -5,14 niveau n = 1

niveau n = 2

niveau n = 3

niveau n = 4

niveau n = 5

niveau n  

2. Dispersion de la lumière émise Afin d'étudier la radiation de couleur jaune-orangé, les élèves décident de l'isoler des autres radiations éventuellement émises par la lampe. Pour cela ils réalisent la dispersion de la lumière émise grâce à un prisme en verre. 2.1. Le verre est un milieu dispersif, expliquer ce terme. 2.2. La fréquence de la radiation jaune-orangé est-elle

différente dans le verre et dans l'air ? 2.3. À cette fréquence, l'indice de réfraction du verre

pour la radiation jaune-orangé est n = 1,52. Après avoir défini l'indice d'un milieu transparent, calculer

la valeur de la longueur d'onde verre de la radiation jaune-orangé dans le verre.

2.4. À la sortie du prisme, on sélectionne la radiation

jaune-orangé de longueur d'onde . Comment qualifie-t-on une telle lumière ?

3. Diffraction de la lumière jaune-orangé Les élèves décident d'utiliser le phénomène de diffraction pour vérifier la valeur de la

longueur d'onde  de la radiation jaune-orangé. Pour cela ils disposent une fente fine verticale sur le trajet de la lumière. 3.1. Les élèves ont à leur disposition trois fentes de largeur a différente. Quel doit être

leur choix afin que le phénomène de diffraction soit le plus marqué possible ? 3.2. Le phénomène de diffraction existe-t-il dans d'autres domaines que celui de la

lumière ? Si oui, donner un exemple avec un schéma explicatif. 3.3. Derrière la fente, à une distance D = 85 cm, les élèves disposent un écran

perpendiculairement à la direction de propagation de la lumière. Dessiner l'allure de ce qu'on observe sur l'écran sur l'annexe à rendre avec la copie.

3.4. Dans la pratique, la figure de diffraction est peu lumineuse. La distance L, entre les

deux extinctions de part et d'autre de la tache centrale, a néanmoins pu être mesurée à l'aide d'une lunette de visée. La valeur obtenue est L = 2,0 cm. Montrer

que la longueur d'onde  peut s'exprimer par  = aL

2D . Faire l'application numérique

sachant que la fente a une largeur a = 50 µm. Conclure.

Lampe à vapeur de sodium

lentille

prisme

ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE 1.3 3.3

énergie

niveau n = 1

niveau n = 2

niveau n = 3

niveau n = 4

niveau n = 5

niveau n  

écran

radiation jaune orangé

fente

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