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Spectres : lumières blanches et colorées
Lumière blanche et lumière colorée, radiation monochromatique et longueur d’onde dans le vide ou dans l’air ; spectre continu d’origine thermique et température d’un corps chaud ; spectres de raies d’émission ; exploiter un spectre de raies (étalonner une photo, identifier une entité) ; en prolongement, spectres d’absorption et spectre du Soleil.
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Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Spectres : lumières blanches et colorées
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Physique-Chimie (2nde) 2ⁿᵈᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – Longueurs d’onde et domaines ★★
(4 pts)Données : domaine visible de 400 nm à 800 nm environ ; vert de 500 à 570 nm.
- a)Une lampe germicide émet une radiation de longueur d’onde 2,54 × 10⁻⁷ m. Exprimer cette longueur d’onde en nm et donner son domaine.
- b)Exprimer 0,555 µm en nm et donner la couleur de cette radiation.
- c)Une télécommande émet à 940 nm. Expliquer pourquoi l’œil ne voit pas ce signal alors que la caméra d’un smartphone le détecte.
- d)Le faisceau d’un laser rouge de 650 nm traverse un prisme. Qu’observe-t-on sur l’écran ? Justifier.
Exercice 2 – Nature des spectres ★★
(4 pts)On étudie la lumière de plusieurs sources avec un spectroscope.
- a)Quelle est la nature du spectre de la lumière émise par un rivet chauffé au rouge dans un four de chantier ? De quoi dépend-il ?
- b)Décrire le spectre d’un tube contenant un gaz sous faible pression soumis à une décharge électrique.
- c)On éclaire le même gaz, froid, en lumière blanche. Décrire le spectre de la lumière transmise et le comparer au précédent.
- d)Un élève affirme : « le spectre du Soleil est continu, donc le Soleil contient tous les éléments chimiques ». Expliquer l’erreur.
Exercice 3 – Exploiter un spectre étalonné ★★★
(4 pts)Sur une photo de spectre à graduation linéaire, deux raies de référence sont repérées : 431,2 nm à la position 7,5 mm et 693,2 nm à la position 73,0 mm. Une lampe inconnue présente deux raies R et S aux positions 41,3 mm et 58,9 mm. Raies de référence de deux vapeurs (nm) : M : 566,5 ; 636,7 — N : 566,0 ; 637,5.
- a)Montrer que l’échelle vaut 4,0 nm/mm.
- b)Calculer la longueur d’onde de la raie R.
- c)Calculer la longueur d’onde de la raie S, puis donner la couleur des raies R et S.
- d)Les mesures sont précises à ±0,4 nm. Quelle vapeur la lampe contient-elle ? Justifier.
Exercice 4 – Corps chauds ★★
(4 pts)Dans une cuisine, on observe une plaque de cuisson à 280 °C, le fil rougeoyant d’un grille-pain et le filament blanc d’une lampe halogène.
- a)La plaque à 280 °C ne paraît pas lumineuse, mais une caméra thermique la détecte. Expliquer.
- b)Classer les trois objets par température croissante. Justifier.
- c)Décrire l’évolution du spectre de la lumière émise par le fil du grille-pain si sa température augmentait.
- d)Un élève affirme que le spectre continu du filament permet de savoir s’il est en tungstène. Expliquer l’erreur.
Exercice 5 – Le spectre du Soleil ★★★
(4 pts)Le spectre de la lumière solaire reçue au sol est un fond continu barré de raies noires, dont celles de longueurs d’onde (nm) : 393,4 ; 396,8 ; 404,6 ; 406,4 ; 495,8 ; 759,4.
| Entité | Raies de référence (nm) |
|---|---|
| ion calcium Ca⁺ | 393,4 ; 396,8 |
| fer | 404,6 ; 406,4 ; 495,8 |
| titane | 453,3 ; 498,2 |
- a)Quelle est la nature de ce spectre ? Qu’indique son fond continu ?
- b)Quelles entités du tableau sont détectées dans ce relevé ? Justifier.
- c)La raie à 759,4 nm est absente des spectres pris par un télescope en orbite. Où se trouve le gaz qui l’absorbe ? Renseigne-t-elle sur le Soleil ?
- d)Un élève affirme : « les raies à 393,4 et 396,8 nm sont des raies violettes émises par le calcium ». Relever et corriger ses deux erreurs.
Bon courage !
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Corrigé et barème – Spectres : lumières blanches et colorées
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Physique-Chimie (2nde) 2ⁿᵈᵉ
Exercice 1 – Longueurs d’onde et domaines ★★
(4 pts)- a)2,54 × 10⁻⁷ m = 254 × 10⁻⁹ m = 254 nm < 400 nm : ultraviolet. (1)
- b)0,555 µm = 0,555 × 1 000 nm = 555 nm, entre 500 et 570 nm : vert. (1)
- c)940 nm > 800 nm : la radiation est dans l’infrarouge, hors du domaine visible ; le capteur de la caméra, lui, est sensible à l’infrarouge proche. (1)
- d)Une seule tache rouge, déviée : la radiation est monochromatique, le prisme la dévie sans la décomposer. (1)
Repère — 1 µm = 1 000 nm et 1 nm = 10⁻⁹ m ; visible de 400 à 800 nm.
Exercice 2 – Nature des spectres ★★
(4 pts)- a)Spectre continu d’origine thermique (corps chaud et dense) : il dépend de la température du rivet, pas de sa nature. (1)
- b)Spectre de raies d’émission : quelques raies colorées fines sur fond noir, caractéristiques du gaz. (1)
- c)Spectre continu de la lumière blanche barré de raies noires, situées aux mêmes longueurs d’onde que des raies colorées d’émission du même gaz : l’aspect est inversé. (1)
- d)Le fond continu renseigne sur la température de la surface, pas sur la composition ; ce sont les raies d’absorption qui révèlent les éléments de l’atmosphère du Soleil. (1)
Le point clé — continu : température ; raies colorées : émission ; raies noires : absorption, aux mêmes positions.
Exercice 3 – Exploiter un spectre étalonné ★★★
(4 pts)- a)k = (693,2 − 431,2) ÷ (73,0 − 7,5) = 262,0 ÷ 65,5 = 4,0 nm/mm. (1)
- b)λR = 431,2 + 4,0 × (41,3 − 7,5) = 431,2 + 4,0 × 33,8 = 431,2 + 135,2 = 566,4 nm. (1)
- c)λS = 431,2 + 4,0 × (58,9 − 7,5) = 431,2 + 4,0 × 51,4 = 431,2 + 205,6 = 636,8 nm. R est verte (500 à 570 nm), S est rouge (620 à 800 nm). (1)
- d)M : écarts de 0,1 nm (566,5 − 566,4) et 0,1 nm (636,8 − 636,7), inférieurs à 0,4 nm : ses deux raies sont retrouvées. N : 637,5 nm est à 0,7 nm de 636,8 nm, plus que la précision : une raie manque, N est exclue. La lampe contient la vapeur M. (1)
Erreur fréquente — conclure sur une seule raie : N a une raie compatible avec R, mais sa seconde raie l’exclut.
Exercice 4 – Corps chauds ★★
(4 pts)- a)À 280 °C, la plaque rayonne presque uniquement dans l’infrarouge, invisible à l’œil mais détecté par le capteur de la caméra. (1)
- b)Plaque < fil rougeoyant < filament blanc : plus le spectre s’étend vers le bleu (et plus il est intense), plus le corps est chaud. (1)
- c)Le spectre continu s’enrichirait vers les courtes longueurs d’onde (orangé, jaune, puis bleu) et deviendrait plus intense. (1)
- d)Le spectre continu dépend de la température, pas de la nature du corps : il ne renseigne pas sur le métal. (1)
À retenir — plus un corps est chaud, plus il émet et plus son spectre va loin vers le violet.
Exercice 5 – Le spectre du Soleil ★★★
(4 pts)- a)Spectre de raies d’absorption sur fond continu ; le fond continu, émis par la surface chaude du Soleil, renseigne sur sa température. (1)
- b)Ca⁺ (2 raies sur 2) et fer (3 raies sur 3) sont détectés ; aucune raie du titane n’est relevée : il n’est pas détecté dans ce relevé. (1)
- c)Hors de l’atmosphère terrestre, la raie disparaît : le gaz absorbant est dans l’atmosphère de la Terre (c’est le dioxygène) ; elle ne renseigne pas sur le Soleil. (1)
- d)Ce sont des raies noires, donc absorbées et non émises ; de plus 393,4 et 396,8 nm < 400 nm : elles sont dans l’ultraviolet proche, pas dans le violet. (1)
Le point clé — une raie du spectre solaire reçu au sol peut venir de l’atmosphère terrestre : on le vérifie depuis l’espace.
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Ce contrôle de physique-chimie (2nde) 2ⁿᵈᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Spectres : lumières blanches et colorées » : 5 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — Longueurs d’onde et domaines ★★/ 4 pts
- Exercice 2 — Nature des spectres ★★/ 4 pts
- Exercice 3 — Exploiter un spectre étalonné ★★★/ 4 pts
- Exercice 4 — Corps chauds ★★/ 4 pts
- Exercice 5 — Le spectre du Soleil ★★★/ 4 pts
Notions évaluées
Lumière blanche, lumière colorée, radiation monochromatique, lumière polychromatique, longueur d’onde dans le vide, longueur d’onde dans l’air, indice de l’air, nanomètre, micromètre, domaine visible, ultraviolet, infrarouge, couleurs et longueurs d’onde, prisme, réseau, spectroscope, spectromètre, spectre continu, origine thermique, corps chaud et dense, température, kelvin, intensité, maximum d’émission, spectre de raies d’émission, gaz sous faible pression, décharge électrique, entité, raies de l’hydrogène, doublet du sodium, étalonnage, échelle en nm/mm, précision, identification d’une entité, spectre d’absorption, raies noires, raies de Fraunhofer, atmosphère solaire, raies telluriques, découverte de l’hélium, solution colorée.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés.
- Se tester avec le QCM (24 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Spectres : lumières blanches et colorées » ?
- 60 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de physique-chimie (2nde) de seconde ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Spectres : lumières blanches et colorées » du programme officiel de physique-chimie (2nde) en seconde, soit : lumière blanche, lumière colorée ; caractériser un rayonnement monochromatique par sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air ; spectres d’émission : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies ; caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud ; exploiter un spectre de raies ; produire et exploiter des spectres d’émission obtenus à l’aide d’un système dispersif et d’un analyseur de spectre ; en prolongement du programme, spectres d’absorption et spectre du Soleil.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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