Physique-Chimie1ère

Expérimentations de base
Exercices corrigés

Maîtrisez les expérimentations de base avec le spectre électromagnétique : diffraction, interférences, réfraction, absorption, spectroscopie grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(c = \lambda f\)
Relation fondamentale
Diffraction
θ ≈ λ/a
Écart angulaire
Interférences
i = λD/d
Interfrange
Réfraction
n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)
Loi de Snell-Descartes
🔍
Diffraction : Changement de direction par un obstacle
🔄
Interférences : Superposition de deux ondes cohérentes
🌐
Réfraction : Changement de direction à la surface de séparation
⚡
Absorption : Conversion de l'énergie lumineuse
Exercice 1
Expérience de diffraction par une fente de largeur a = 0.1 mm
Exercice 2
Expérience des fentes de Young (interférences)
Exercice 3
Réfraction de la lumière entre l'air et l'eau
Exercice 4
Absorption de la lumière par une solution colorée
Exercice 5
Spectroscopie d'une lampe à vapeur de mercure
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Diffraction
Définition :

Diffraction : Modification de la propagation d'une onde par un obstacle comparable à sa longueur d'onde

Protocole expérimental :
  1. Pointer un laser sur une fente fine
  2. Observer la figure de diffraction sur un écran
  3. Mesurer la largeur de la tache centrale
  4. Appliquer la relation θ ≈ λ/a
Données
a = 0.1 mm, D = 2 m
θ
θ = 0.003 rad
Étape 1 : Identifier les données

a = 0.1 mm = 0.1×10⁻³ m, D = 2 m, largeur tache centrale = 1.2 cm

Étape 2 : Calculer l'écart angulaire

\(\theta = \frac{i}{D} = \frac{0.6 \times 10^{-2}}{2} = 0.003\) rad

Étape 3 : Appliquer la relation de diffraction

\(\theta \approx \frac{\lambda}{a}\)

Étape 4 : Calculer la longueur d'onde

\(\lambda = \theta \times a = 0.003 \times 0.1 \times 10^{-3} = 3 \times 10^{-7}\) m = 300 nm

λ = 300 nm
Réponse finale :

La longueur d'onde de la lumière est de 300 nm (ultraviolet)

Règles appliquées :

• Condition de diffraction : a ≈ λ

• Figure de diffraction : Tache centrale et taches latérales

• Écart angulaire : θ ≈ λ/a pour petits angles

2 Interférences
Définition :

Interférences : Superposition de deux ondes lumineuses cohérentes produisant un motif lumineux

Données
d = 0.5 mm, D = 1.5 m
i
i = 1.8 mm
Étape 1 : Identifier les données

d = 0.5 mm = 0.5×10⁻³ m, D = 1.5 m, i = 1.8 mm = 1.8×10⁻³ m

Étape 2 : Appliquer la formule des interférences

\(i = \frac{\lambda D}{d}\)

Étape 3 : Isoler la longueur d'onde

\(\lambda = \frac{id}{D}\)

Étape 4 : Calculer la longueur d'onde

\(\lambda = \frac{1.8 \times 10^{-3} \times 0.5 \times 10^{-3}}{1.5} = \frac{0.9 \times 10^{-6}}{1.5} = 6 \times 10^{-7}\) m

Étape 5 : Convertir en nm

\(\lambda = 6 \times 10^{-7} \times 10^9 = 600\) nm

λ = 600 nm
Réponse finale :

La longueur d'onde de la lumière est de 600 nm (orange)

Règles appliquées :

• Interfrange : Distance entre deux franges brillantes

• Cohérence : Les sources doivent être synchrones

• Formule : i = λD/d

3 Réfraction
Définition :

Réfraction : Changement de direction d'une onde à la surface de séparation entre deux milieux

Données
n₁=1, n₂=1.33, θ₁=45°
θ₂
θ₂ = 32.1°
Étape 1 : Identifier les données

n₁ = 1 (air), n₂ = 1.33 (eau), θ₁ = 45°

Étape 2 : Appliquer la loi de Snell-Descartes

\(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\)

Étape 3 : Isoler l'angle réfracté

\(\sin(\theta_2) = \frac{n_1 \sin(\theta_1)}{n_2}\)

Étape 4 : Substituer les valeurs

\(\sin(\theta_2) = \frac{1 \times \sin(45°)}{1.33} = \frac{0.707}{1.33} = 0.532\)

Étape 5 : Calculer l'angle

\(\theta_2 = \arcsin(0.532) = 32.1°\)

θ₂ = 32.1°
Réponse finale :

L'angle de réfraction est de 32.1° par rapport à la normale

Règles appliquées :

• Loi de Snell-Descartes : n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)

• Angles mesurés : Par rapport à la normale

• Indice supérieur : L'angle réfracté est plus petit

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Absorption
Définition :

Absorption : Processus par lequel l'énergie lumineuse est captée par la matière

Données
I₀, I = I₀/10
A
A = 1.0
Étape 1 : Identifier les intensités

I₀ = intensité incidente, I = I₀/10 = intensité transmise

Étape 2 : Appliquer la loi de Beer-Lambert

\(A = -\log\left(\frac{I}{I_0}\right)\)

Étape 3 : Substituer les valeurs

\(A = -\log\left(\frac{I_0/10}{I_0}\right) = -\log\left(\frac{1}{10}\right) = -\log(0.1) = -(-1) = 1.0\)

Étape 4 : Calculer le pourcentage de transmission

\(T = \frac{I}{I_0} \times 100 = \frac{1}{10} \times 100 = 10\%\)

Étape 5 : Calculer le pourcentage d'absorption

\(A = 100\% - T = 100\% - 10\% = 90\%\)

A = 1.0, T = 10%
Réponse finale :

L'absorbance est de 1.0 et la solution transmet 10% de la lumière

Règles appliquées :

• Loi de Beer-Lambert : A = -log(I/I₀)

• Relation : A = εcl (coefficients d'extinction)

• Conservation : A + R + T = 1

5 Spectroscopie
Définition :

Spectroscopie : Analyse de la lumière pour identifier les longueurs d'onde présentes

Raies Hg
405, 436, 546, 579 nm
Couleurs
Violet, Bleu, Vert, Jaune
Étape 1 : Identifier les raies caractéristiques

Hg : λ₁ = 405 nm (violet), λ₂ = 436 nm (bleu), λ₃ = 546 nm (vert), λ₄ = 579 nm (jaune)

Étape 2 : Calculer les fréquences correspondantes

\(f = \frac{c}{\lambda}\)

f₁ = 3.00×10⁸ / (405×10⁻⁹) = 7.41×10¹⁴ Hz

Étape 3 : Calculer les énergies

\(E = hf\)

E₁ = 6.63×10⁻³⁴ × 7.41×10¹⁴ = 4.91×10⁻¹⁹ J

Étape 4 : Identifier le spectre

Chaque élément chimique a un spectre d'émission caractéristique

Étape 5 : Application

Identification de la composition d'une source lumineuse

λ = 405-579 nm
Réponse finale :

Le spectre d'émission du mercure présente des raies à 405, 436, 546 et 579 nm

Règles appliquées :

• Spectre d'émission : Raies discrètes pour chaque élément

• Identification : Signature spectrale unique

• Applications : Astronomie, chimie analytique

Cours bien détaillé
\(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2), \quad A = -\log\left(\frac{I}{I_0}\right)\)
Lois fondamentales
🎯
Diffraction : λ ≈ aθ
📏
Interférences : i = λD/d
🌐
Réfraction : n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)
🔍
Absorption : A = -log(I/I₀)
💡
Conseil : Toujours tracer la normale pour mesurer les angles
🔍
Attention : Les angles sont mesurés par rapport à la normale
⚡
Astuce : Plus la longueur d'onde est grande, plus la diffraction est marquée
📋
Méthode : Identifier clairement les milieux et les angles
✅
Vérification : Si n₂ > n₁, alors θ₂ < θ₁
Protocoles expérimentaux :
  • Diffraction : Laser + fente + écran
  • Interférences : Fentes de Young + laser
  • Réfraction : Demi-cylindre + rayon lumineux
  • Absorption : Spectrophotomètre + cuve + solution
  • Spectroscopie : Réseau + source lumineuse + écran
Règles importantes :
  • La diffraction est observable lorsque la dimension de l'obstacle est comparable à la longueur d'onde
  • Les interférences nécessitent des sources cohérentes et synchrones
  • Le rayon incident, réfléchi, réfracté et la normale sont coplanaires
  • L'intensité lumineuse diminue selon la loi de Beer-Lambert
  • Chaque élément chimique a un spectre d'émission caractéristique
Expérimentations de base Spectre électromagnétique