Leçons de niveau 12

Lumière et objets/Exercices/Exercices

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Exercices
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Exercices no1
Leçon : Lumière et objets

Ces exercices sont de niveau 12.

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Exercice no 1[modifier | modifier le wikicode]

  1. Rappeler succinctement les deux méthodes principales pour qu'une source émette de la lumière.
  2. En utilisant la loi de Wien, déterminer la longueur d'onde de la radiation émise avec le maximum d'intensité par un corps humain.
  3. L'étoile Rigel émet avec le plus d'intensité la radiation de longueur d'onde . Déterminer la température de surface de cette étoile.
  4. Proposer une démarche scientifique pour déterminer la température de surface du Soleil.

Exercice no 2[modifier | modifier le wikicode]

Données :

  • La constante de Planck h : 6,63 × 10−34 J⋅s
  • 1 eV = 1,60 × 10−19 J

Document no 1 : Rayonnements EUV et luminescence

On appelle « ultraviolet extrême » (EUV) les rayonnements de longueur d’onde comprise entre 10 et 120 nm. Ceux-ci, nocifs pour l'Homme, sont arrêtés par les couches supérieures de l’atmosphère, ce qui a pour effet de produire des ions, principalement O+, N2+ et O2+.

Ces phénomènes d’interaction entre rayonnement et atmosphère sont étudiés grâce à l’émission de lumière, appelée luminescence, qui suit le retour dans l’état fondamental des atomes de l’atmosphère qui ont été excités. On utilise notamment deux raies émises dans le visible (400-800 nm) par l’atome d’oxygène. Ces deux raies, l’une rouge et l’autre verte, sont en effet particulièrement intenses.

Document no 2 : Diagramme de niveaux d'énergie de l’atome d'oxygène

Le niveau infini correspond à l'état d'ionisation de l'atome.

Oxygen energy level diagram - fr.jpg

Document no 3 : Spectre de raies d'émission de l'atome d'oxygène

Emission spectrum of oxygen - fr.jpg

  1. Quels sont les ions crées par l'ionisation de l'atome d'oxygène sous l'action des rayons EUV ?
  2. Les photons EUV transportent-ils un quantum énergie plus important ou plus faible q'un photon du visible ?
  3. Un photon de fréquence 3,3 × 1012 kHz correspond-il à un photon EUV ?
    1. A partir des documents 2 et 3, identifier les changements de niveau d'énergie, appelées transitions, responsables des raies rouge et verte, notées respectivement λ = 535 nm (A) et 'λ = 640 nm (B). Votre raisonnement tiendra compte de l'incertitude de lecture du document 3.
    2. Représenter ces deux transitions sur le document 2.
    1. Quel est le niveau correspondant à l'état fondamental de l'atome d'oxygène ?
    2. Montrer qu'un photon EUV peut effectivement ioniser l'atome d'oxygène initialement dans son état fondamental.

Exercice no 3 : Dans cette exercice, il n'y a que peu de questions, mais il faut les justifier soigneusement et expliquer votre raisonnement[modifier | modifier le wikicode]

Document no 1 : Profil spectral de l’étoile inconnue

Profil spectral de l’étoile inconnue.jpg

Document no 2 : Quelques informations sur des étoiles

Nom Masse solaire Rayon solaire Température de surface (en °C)
A 19 110 8 252
B 1,3 24,5 5 097
C 0,9 0,87 7 261
D 1,9 80 6 988
E 1,7 44,2 6 715
  • Masse du Soleil : 1,99 × 1030 kg
  • Rayon du Soleil : 6,96 × 105 km

Document no 3 : Longueurs d’onde, en nm, de certaines raies caractéristiques de quelques éléments

Hydrogène Sodium Magnésium Calcium Fer Hélium Titane Nickel
Longueurs d'onde (en nm) 410,0 589,0 470,3 396,8 438,3 402,0 466,8 508,0
434,0 589,6 516,7 422,7 489,1 447,0 469,1
486,1 458,2 491,9 502,0 498,2
656,3 526,2 495,7 587,0
527,0 532,8 668,0
537,1 706,0
539,7

Document no 4 : Histoire de la vie d'une étoiles

Au cours de la vie d’une étoile, celle-ci passe par plusieurs phases. Lors de la première phase un nuage moléculaire en effondrement va donner naissance à une proto-étoile. Au début de la seconde phase, les réactions nucléaires commencent à se produire au centre de l'étoile et on assiste à sa véritable naissance. C'est la phase essentielle de la vie de l'étoile, de très loin, la plus longue, nommée séquence principale. Pendant toute la durée de cette séquence principale, l'étoile vit sur ses réserves d'hydrogène, dont la transformation en hélium donne l'énergie nécessaire à son équilibre. Lorsque l'hydrogène est épuisé, l'étoile quitte la séquence principale et devient une géante rouge, constituée principalement d’hélium. Au-delà, son destin va dépendre de sa masse : les étoiles massives évoluent en nébuleuses planétaires alors que les autres deviennent des supernovae.

Exercice no 4[modifier | modifier le wikicode]

Profil spectral de deux corps chauds.jpg

L'étude de l'intensité de la lumière émise par deux corps chauds en fonction de longueur d'onde a permis d'obtenir les courbes ci-contre.

  1. De ces deux corps (1) et (2), quel est celui qui a la température la plus élevée ? Expliquer sans calcul.
  2. Déterminer la température de chacun des corps (1) et (2).
  3. Pour chacun de ces corps (1) et (2), le maximum d'émission correspond-il à de la lumière visible ?

Exercice no 5[modifier | modifier le wikicode]

Le filament d'une ampoule à incandescence classique est un tungstène, le métal qui a la plus haute température de fusion. Ainsi, un filament de tungstène peut être chauffé à température élevée, en restant solide et rigide jusqu'à 2 700 K environ.

  1. À quel domaine du spectre électromagnétique appartient la valeur de longueur d'onde de plus haute intensité quand le filament est chauffé à sa température maximale ?
  2. Quelle devrait être la température du filament de tungstène pour que le maximum d'intensité de son rayonnement corresponde, comme pour la photosphère du Soleil, à la longueur d'onde λmax = 500 nm.

Exercice no 6[modifier | modifier le wikicode]

La notice d'un laser indique : « longueur d'onde 580 nm ». Quelle est la fréquence de cette radiation ?

Exercice no 7[modifier | modifier le wikicode]

Un atome passe d'une niveau d'énergie E1 = −35 eV à un niveau E2 = −16 eV.

  1. Cela correspond-il à l'absorption ou à l'émission d'un photon de fréquence ν.
  2. En déduire la fréquence ν de la radiation associée à ce photon.
  3. En déduire la longueur d'onde λ dans le vide de la radiation correspondante.
  4. Représenter ces niveaux d'énergie sur un diagramme d'énergie et y représenter par une flèche le changement de niveau d'énergie effectué.

Exercice no 8[modifier | modifier le wikicode]

Un atome se trouve initialement au niveau d'énergie E = −5,2 eV. Lors d'un changement de niveau d'énergie, il absorbe un photon, auquel est associée une radiation de longueur d'onde 475 nm.

  1. Le niveau d'énergie atteint est-il un niveau d'énergie supérieur ou inférieur ?
  2. Déterminer la valeur du niveau d'énergie atteint par cet atome/