Utiliser les animations en classe

Fiche pédagogique de l'animation : Rayonnement et énergie

Présentation de l'animation "Rayonnement et énergie"



 

Alors que l'animation « Le Rayonnement Electromagnétique » porte sur la nature et des caractéristiques des ondes électromagnétiques, cette animation « Rayonnement et Energie » s'inscrit dans la suite de la précédente et traite de la manière dont ces rayonnements sont émis et de leurs différentes interactions avec la matière. En démarrant avec les questions « D'où vient la lumière ? D'où vient la chaleur ? », l'animation pose d'emblée la thématique et affirme que tout corps rayonne lumière et chaleur en fonction de sa température. Une animation interactive avec une barre de fer dans un four permet d'observer le type de rayonnement émis en faisant varier la température. Par la suite, sont présentés les rayonnements émis par différents types de corps ainsi que la quantité d'énergie par seconde et  par surface perdue par ce corps rayonnant. Ceci nous amène tout naturellement à la théorie du corps noir, à laquelle un dossier est consacré. On y aborde la loi de Planck ainsi que ses conséquences : la loi de Stefan-Boltzmann et la loi de Wien.

Par la suite, l'animation traite des différents types d'interactions entre la lumière et la matière. L'absorption tout d'abord ainsi que ses conséquences aussi bien au niveau moléculaire qu'au niveau macroscopique, puis la diffusion et la réflexion à renfort d'exemples pour illustrer ces phénomènes.

Pour finir, un bilan vertical des échanges entre les ondes électromagnétiques et la matière composant l'atmosphère et la Terre est présenté, menant à la conclusion que globalement suite à des échanges successifs, les radiations émises par la Terre finissent par repartir vers l'espace une fois qu'ils atteignent une altitude à laquelle l'atmosphère n'est plus assez dense pour retenir les rayonnements. Un dossier vient étayer ce chapitre, on y établit la température en fonction de l'altitude dans l'atmosphère terrestre.

Textes de référence

2nde - Bulletin officiel spécial n° 4 du 29 avril 2010

L'univers

Les étoiles : l'analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l'utilisation de systèmes dispersifs. Les spectres d'émission et d'absorption : spectres continus d'origine thermique, spectres de raies (savoir qu'un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température).

Option Sciences et laboratoire  - Bulletin officiel spécial n° 4 du 29 avril 2010

Atmosphère terrestre

Rayonnement solaire (mots clefs : arcs-en-ciel, effet de serre, protection solaire)

1èreS - Bulletin officiel spécial n° 9 du 30 septembre 2010

Sources de lumière colorée : Domaines des ondes électromagnétiques (connaître les limites en longueur d'onde dans le vide du domaine visible et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets).

Couleur des corps chauffés : loi de Wien (exploiter la loi de Wien, son expression étant donnée).

Interaction lumière-matière : émission et absorption (interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière.

Connaître les relations ΔE = h.ν et λ = c / ν et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d'énergie. )

Terminale S - programme de physique-chimie en classe de terminale de la série S- Bulletin officiel n°8 du 13 octobre 2011

Ondes et matière

Partie Observer Ondes et matières : rayonnements dans l'univers, les ondes dans la matière, détecteurs d'ondes (mécaniques et électromagnétiques) et de particules (photons, particules élémentaires ou non). Caractéristiques et propriétés des ondes.

Partie Comprendre - Lois et modèles : Énergie, matière et rayonnement : transferts quantiques d'énergie, dualité onde-particule.

Découpage de l'animation

Introduction : l'animation démarre par un questionnement sur la provenance de la lumière et de la chaleur sur Terre.

Chapitre 1 :"Tout corps émet un rayonnement dépendant de sa température et perd ainsi de l'énergie". Pour illustrer cette notion, l'animation propose une séquence interactive présentant une barre de fer dans un four dont on peut faire varier la température. On observe alors la longueur d'onde du rayonnement principalement émis en fonction de la température. La situation est extrapolée ensuite à la Terre et au Soleil avec des graphes quantitatifs de l'énergie émise en fonction de la longueur d'onde. Ceci nous amène tout naturellement à la théorie du corps noir.

Dossier "Corps Noir" : ce dossier permet de comprendre les notions de corps noir idéal et d'établir la distribution en longueur d'onde de la puissance lumineuse émise par ce corps noir à une température donnée. Plusieurs spectres de corps noir sont superposés pour des températures s'étalant de 100 à 10 000 K. Deux conséquences de la loi de Planck sont ensuite étudiées : la loi de Stefan-Boltzmann qui relie la puissance émise à la température et la loi de Wien qui exprime la longueur d'onde principalement émise selon la température.

Chapitre 2 : cette partie traite de l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière et plus principalement à l'absorption. Les niveaux d'énergie de la molécule sont quantifiés, sélectionnant ainsi les énergies (et donc les longueurs d'onde) absorbées. On étudie ensuite l'effet de cette lumière sur les molécules selon son énergie, ainsi que les conséquences de cette absorption à l'échelle macroscopique.

Chapitre 3 : d'autres types d'interactions lumière-matière sont étudiés. La diffusion de la lumière par de petites molécules ou particules consiste à la réémission de partie ou totalité de cette lumière dans toutes les directions (explique le bleu du ciel ou le blanc des nuages). La réflexion spéculaire par les surfaces planes consiste à la réémission de la lumière dans une seule direction (illustré par l'image du Soleil réfléchie sur la mer méditerranée).

Chapitre 4 : le bilan radiatif vertical traite de l'absorption et de l'émission de lumière à différents niveaux de l'atmosphère en étudiant les échanges entre le Soleil, la Terre, les océans et les nuages.

Dossier "Etude de la température en fonction de l'altitude" : permet de relier les échanges lumière-matière à la température pour différentes altitudes dans l'atmosphère.

Suggestions d'exploitation pédagogique en classe

Classes concernées : 1èreS (interaction lumière - matière) et Terminale S (rayonnements dans l'univers, transferts quantiques d'énergie)

Objectifs : le but de ces activités est d'aborder, à partir de la notion de corps noir, le rayonnement émis par tout corps selon sa température. De cette notion découlera les lois de Wien et de Stefan que l'élève retrouvera à partir de distributions de Planck d'objets à différentes températures. La dernière activité permet, à partir de l'absorption quantique de certains types de rayonnements, de comprendre le phénomène d'effet de serre (comment le rayonnement émis par la Terre est piégé et réémit partiellement vers elle) particulièrement pour la molécule de dioxyde de carbone.

Organisation : la première activité, partie A, s'inscrit dans la suite de l'animation interactive avec le four (onglet n°1). A partir de spectres dans le visible, l'élève pourra relier les longueurs d'ondes émises par la barre de métal dans le four à sa couleur apparente en utilisant les notions de synthèses additives. Il pourra également relier le type de longueurs d'ondes émises ainsi que l'étendue du spectre dans le visible à la température du corps. L'enseignant peut aisément reproduire l'expérience du four à l'aide du montage présenté dans l'activité.
La partie B quant à elle se traitera à l'aide de la fin de l'applet n°1 où se trouvent les distributions de Planck (elle pourra également être appuyée par les distributions de Planck dans le dossier corps noir). Une série de distributions est disponible dans l'activité afin que l'élève ne soit pas pénalisé par des échelles logarithmiques présentes dans l'animation. Il pourra relier la température du corps aux types de rayonnements émis.

La deuxième activité s'aborde à l'aide du dossier corps noir. L'élève retrouvera à l'aide des distributions de Planck (échelles linéaires dans l'activité) les lois de Wien et de Stefan, fera une application pour la Terre et le Soleil, et comparera l'énergie émise par la Terre à celle du Soleil.

La troisième activité sert d'approfondissement à la notion d'absorption (onglet n°2) et d'introduction au bilan radiatif vertical dans l'atmosphère (onglet n°4). L'élève sera amené à utiliser l'encart ΔE = h.c / λ. Elle débouche, à partir du calcul du type de rayonnement absorbé par la molécule de CO2 et celui émis par la Terre, sur la compréhension du phénomène de l'effet de serre.

Activité 1 : Relation température-lumière émise

A - La couleur perçue de la lumière émise par une lampe à incandescence dépend-elle de sa température ?

Contexte : Eliott, un étudiant en sciences qui possède une lampe à variateur chez lui observe que le filament de sa lampe passe de rouge à jaune, puis à blanc lorsqu'il augmente l'intensité d'alimentation. Il se demande à quoi correspondent ces couleurs et pourquoi, quelle que soit la position du variateur, il n'observe jamais de vert ou de bleu.

Eliott s'adresse à son professeur de sciences physiques. Celui-ci, lui propose, une activité expérimentale qui lui permettra de trouver la réponse.

Documents :

La lumière émise par le filament de l'ampoule électrique est décomposée a l'aide d'un prisme (ou d'un réseau), et le spectre ainsi obtenu est projeté sur un écran blanc.

On donne ici les spectres dans le visible obtenu par décomposition de la lumière émise par un métal chauffé (en l'occurrence un filament d'ampoule électrique dans notre cas) ainsi que l'aspect du filament :

  • Température du filament faible (environ 2000K)

Le filament de la lampe émet une lumière rouge. Le spectre s'étend du rouge à l'orange.

  • Température du filament moyenne (environ 2500K)

Le filament de la lampe emet une lumiere jaune. Le spectre s'etend du rouge au vert.

  • Température du filament élevée (environ 3000K)

Le filament émet une lumière blanche. Le spectre s'étend du rouge au violet.

Le filament d'une lampe à incandescence, parcouru par un courant électrique, s'échauffe et émet de la lumière. On fait varier l'intensité du courant avec un variateur et on analyse la lumière avec un prisme ou un réseau. Quand la température du filament est faible, la lampe brille peu et elle émet une lumière dont le spectre est continu et limité au rouge orangé. Plus la température augmente, plus la lampe brille, et la couleur du filament passe du rouge au blanc. Simultanément le spectre continu s'enrichit en jaune, vert, bleu puis violet.

Il est à noter que lorsque la température du filament augmente, l'intensité de la lumière émise par le filament augmente.

Lorsque le spectre s'étale du rouge au vert, la couleur perçue par synthèse additive par nos yeux est le jaune.

Lorsque le spectre s'étale du rouge au violet, la couleur perçue par synthèse additive par nos yeux est le blanc.

Questions pistes :

  • Comment évolue le spectre de cette lampe en fonction de la température ?
  • Rappelez le principe de synthèse additive utilisé par les cônes (cellules photosensibles) situés sur la rétine de l'œil humain.
  • Expliquez comment relier la couleur perçue par l'œil de la lumière émise par le filament à l'étendue du spectre de  cette lumière dans le domaine du visible.
B- Le rendement d'une lampe à incandescence est-il convenable ?

Contexte : Le Parlement européen le 17 février 2009 a adopté la décision d'interdire les ampoules à incandescence. Quel est l'argumentaire qu'ont pu  développer les parlementaires défenseurs  de l'environnement et d'une consommation raisonnée et intelligente de l'énergie pour emporter la décision.

Voici des documents pour construire cet argumentaire.

Documents :

On donne la distribution de Planck (puissance lumineuse émise par unité de surface en fonction de la longueur d'onde) pour chaque température de filament (on suppose qu'il se comporte comme un corps noir idéal) :

Questions pistes :

  • Comment varie la longueur d'onde correspondant au maximum de puissance rayonnée en fonction de la température ?
  • En vous aidant du graphe des distributions de Planck pour 3 températures de filaments, déterminez pour chacune son λm (longueur d'onde pour laquelle il y a maximum d'émission). Cela vous parait- il cohérent avec l'observation ?
  • Dans quel domaine des ondes électromagnétiques les lampes à incandescence émettent-elles principalement ? Est-ce efficace ?

Activité 2 : Conséquences de la loi de Planck

On donne la distribution de Planck pour différentes étoiles (objets à des températures différentes qui se comportent comme des corps noirs idéaux) :

A - Loi de Wien
  • En vous aidant des graphes des distributions de Planck pour différentes températures de corps noirs (utilisez également celui de l'activité précédente), remplissez le tableau ci-dessous. Que remarquez-vous ? Retrouvez la loi de Wien.

 

Objet

Lampe

Lampe

Lampe

Betelgeuse

Arcturus

Soleil

Altair

Rigel

Température T en Kelvin

2000

2500

3000

3600

4300

 

8000

10700

λm longueur d'onde au maximum d'émission en mètre

 

 

 

 

 

 

 

 

λm x T

 

 

 

 

 

 

 

 

  • A partir de la longueur d'onde λm du maximum d'émission de notre Soleil, calculez sa température de surface grâce à la loi de Wien.
  • A partir de la loi de Wien, déterminez la longueur d'onde du rayonnement principalement émis par de la glace (O°c), la Terre (15°c en moyenne), un être humain (37°c). Dans quel domaine du spectre électromagnétique cela se situe- t-il ?
B - Loi de Stefan-Boltzmann
  • En vous aidant des graphes précédents, relevez le flux total surfacique Φ (en W/m²) émis pour chaque distribution de Planck pour différentes températures de corps noirs. Remplissez le tableau ci-dessous. Que remarquez-vous ? Retrouvez la loi de Stefan.

Objet

Lampe

Lampe

Lampe

Betelgeuse

Arcturus

Soleil

Altair

Rigel

Température T en Kelvin

2000

2500

3000

3600

4300

5800

8000

10700

T4

 

 

 

 

 

 

 

 

M puissance totale émise par unité de surface en W/m²

 

 

 

 

 

 

 

 

M/T4

 

 

 

 

 

 

 

 

  • A partir de la loi de Stefan, déterminez flux total surfacique ΦS émis par le Soleil et par la Terre (15°c).
  • Comparez le rapport des puissances émises Φ(Soleil)/Φ(Terre) au rapport des températures T(Soleil)/T(Terre). Que remarquez-vous ?

Activité 3 : Absorption

Les molécules de dioxyde de carbone peuvent entrer en oscillation lorsqu'elles absorbent de l'énergie. Elles restituent cette énergie sous forme de photons lorsqu'elles reviennent à leur état fondamental.

Un mode de vibration de la molécule de CO2 correspond à un état énergétique excité de cette molécule séparé son état fondamental par une énergie E = 1,2 eV. Lorsque la molécule de CO2 absorbe un photon de cette énergie, elle passe de son état fondamental à un état excité (elle se met à vibrer d'une certaine façon), et lorsque la molécule de CO2 excitée revient à son état fondamental, elle émet un photon d'énergie 1,2 eV.

Questions :

  • Convertir cette énergie de 1,2 eV en joules.
  • Déterminez la longueur d'onde du photon dont l'énergie est de 1,2 eV.
  • A partir de la loi de Wien, calculez à quelle température doit être un corps (assimilé à un corps noir) pour émettre principalement des radiations de cette longueur d'onde. Est-ce une température que l'on peut facilement trouver à la surface de la Terre ?
  • Le CO2 étant présent en quantité non négligeable dans l'atmosphère, expliquez comment le rayonnement issu de la Terre peut être piégé par certaine molécule et être en partie renvoyé vers la Terre au lieu de partir vers l'espace. Comme nomme-t-on cet effet ? Quelles peuvent être les conséquences d'un tel effet ? Que se passe-t-il si on augmente la quantité de CO2 dans l'atmosphère ?

Ressources complémentaires

Bibliographie

" TDC : La Météorologie " (15 décembre 2011)

" La météo, le spécialiste junior " de John Woodward (Editions Gründ-2008).