Physique-chimie, Seconde • Fiche de révision à Montréal

Fiche de révision : lumière blanche, lumière colorée et spectres (Seconde)

Cette fiche couvre la partie « lumière blanche, lumière colorée et spectres » du programme de physique-chimie de Seconde : spectres d'émission continus d'origine thermique et spectres de raies, lumière monochromatique et polychromatique, longueur d'onde dans le vide ou dans l'air, dispersion de la lumière blanche par un prisme, exploitation d'un spectre de raies au spectroscope. Elle ne refait pas le cours : elle dit ce qui coûte des points au contrôle, et le geste qui évite chaque perte.

Presque toutes ces pertes ont la même origine : conclure sur une COULEUR au lieu d'une longueur d'onde. Les huit pièges, les deux arbres et l'exercice type reviennent tous à cette règle : on lit le spectre sur l'axe des longueurs d'onde, en nanomètres, et on compare TOUTES les raies.

Marque ici la fiche comme lue ou mets-la en favori : un compte gratuit, sans mot de passe, retient tes fiches lues et tes favoris d'une visite à l'autre, te dit quel chapitre attaquer ensuite et te permet de demander la méthode ou l'exercice qui te manque. Crée ton espace, un courriel suffit.

Le fil du chapitre

Une couleur ne dit pas quelle lumière arrive : seul le spectre, lu sur l'axe des longueurs d'onde et en nanomètres, le dit. Presque tous les points perdus sur ce chapitre viennent d'une conclusion tirée d'une couleur au lieu d'une longueur d'onde.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Seconde

Pour s'entraîner Les exercices corrigés de ce chapitre, 10 exercices

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Vision et image : réflexion, réfraction, lentilles Exercices

Remonter plus loin : la chaîne complète (5 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

1Mouvement et interactionsCinquième
2Sources de lumière, visibilité et ombresCinquième
3Mouvement, vitesse et lumièreQuatrième
4Lumière, couleurs et spectresTroisième
5Vision et image : réflexion, réfraction, lentilles

L'essentiel

Deux familles de spectres d'émission

• Un corps chaud et DENSE (filament, métal en fusion, surface d'une étoile) émet un spectre CONTINU d'origine thermique : toutes les radiations, sans interruption.
• Un gaz chaud sous faible pression (lampe spectrale, tube à décharge, flamme) émet un spectre de RAIES : quelques radiations seulement, propres à chaque élément.
• Le spectre continu renseigne sur la TEMPÉRATURE ; le spectre de raies, sur la NATURE des atomes.

En haut, aucune radiation ne manque de

400

780\ \mathrm{nm}

; en bas, quatre raies seulement, à

410

434

486

656\ \mathrm{nm}

, la signature de l'hydrogène.

Au programme de Seconde, seuls les spectres d'émission sont étudiés ; les spectres d'absorption arrivent en Première.

Monochromatique ou polychromatique : le spectre décide, pas la couleur

• Lumière monochromatique : une seule radiation, une seule raie (laser).
• Lumière polychromatique : plusieurs radiations (lumière blanche, LED, lampe spectrale).
• Une lumière COLORÉE peut être l'une ou l'autre : la couleur perçue ne dit pas combien de radiations arrivent.

Les deux lumières paraissent vertes : le laser n'a qu'une raie, à

532\ \mathrm{nm}

; la LED émet toute une bande, de

510

550\ \mathrm{nm}

Longueur d'onde et domaines

• Une radiation monochromatique se caractérise par sa longueur d'onde $\lambda$ dans le vide ou dans l'air, pratiquement la même dans les deux.
• $1\ \mathrm{nm}=10^{-9}\ \mathrm{m}$ et $1\ \mathrm{\mu m}=10^{-6}\ \mathrm{m}=1\,000\ \mathrm{nm}$ .
• Ultraviolet : $\lambda<400\ \mathrm{nm}$ . Visible : de $400$ (violet) à $800\ \mathrm{nm}$ (rouge). Infrarouge : $\lambda>800\ \mathrm{nm}$ .

On compare TOUJOURS en nanomètres : convertir d'abord, comparer ensuite.

La dispersion par un prisme

• L'indice d'un verre dépend de la longueur d'onde : il est plus grand pour le violet que pour le rouge.
• Avec $n_1\sin i_1=n_2\sin i_2$ , chaque radiation est donc réfractée sous un angle différent : le prisme SÉPARE les radiations déjà présentes, le violet le plus dévié.
• Une vitre à faces parallèles ne disperse pas de façon visible : chaque radiation ressort parallèle au rayon incident, et les couleurs se superposent.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Croire qu'une lumière colorée est monochromatique

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La LED est verte, donc sa lumière est monochromatique. »

Ce qu'il faut écrire

« Le spectre de la LED est une bande de $510$ à $550\ \mathrm{nm}$ : sa lumière est polychromatique, bien qu'elle paraisse verte. »

Pourquoi : Monochromatique se décide sur le spectre, une seule raie, jamais sur la couleur perçue. Seul le laser donne une lumière monochromatique dans les exercices de Seconde.

2. Garder l'exposant de départ en convertissant des nanomètres

0,5 point, et toute la suite du calcul

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $450\ \mathrm{nm}=4{,}50\times 10^{-9}\ \mathrm{m}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $450\ \mathrm{nm}=450\times 10^{-9}\ \mathrm{m}=4{,}50\times 10^{-7}\ \mathrm{m}$ . »

Pourquoi : Déplacer la virgule de deux rangs vers la gauche oblige l'exposant à gagner deux : sinon la valeur est cent fois trop petite, et rien ne le signale.

3. Comparer aux bornes du visible sans convertir

la question entière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $\lambda=7{,}5\times 10^{-6}\ \mathrm{m}$ : $7{,}5$ est entre $4$ et $8$ , donc c'est une radiation visible. »

Ce qu'il faut écrire

« $7{,}5\times 10^{-6}\ \mathrm{m}=7\,500\ \mathrm{nm}>800\ \mathrm{nm}$ : c'est de l'infrarouge. »

Pourquoi : Les bornes du visible ne valent $4$ et $8$ qu'en $10^{-7}\ \mathrm{m}$ . Un exposant différent change tout : on convertit en nanomètres avant de comparer.

4. Dire qu'un corps chaud « rougit » en chauffant

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Plus le métal est chaud, plus son spectre se décale vers le rouge. »

Ce qu'il faut écrire

« Plus le métal est chaud, plus son spectre s'enrichit vers le violet : il passe du rouge sombre à l'orangé, puis au blanc. »

1\,500\ \mathrm{K}

, le visible ne reçoit qu'un pied de courbe, côté rouge ; à

3\,000\ \mathrm{K}

, le maximum recule vers

970\ \mathrm{nm}

et couvre tout le visible.

Pourquoi : Le rouge est la PREMIÈRE couleur qu'émet un corps qui chauffe, pas la dernière. En chauffant, le maximum du spectre se déplace vers les petites longueurs d'onde.

5. Identifier un élément sur une seule raie

la question entière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le gaz a une raie jaune à $588\ \mathrm{nm}$ : il contient du sodium. »

Ce qu'il faut écrire

« Le gaz montre $447$ , $502$ , $588$ et $668\ \mathrm{nm}$ : ce sont TOUTES les raies de l'hélium. Il n'y a pas de raie à $589\ \mathrm{nm}$ : pas de sodium. »

La raie jaune du gaz inconnu est à

588\ \mathrm{nm}

, celle du sodium à

589\ \mathrm{nm}

: à l'œil, identiques ; ce sont les trois autres raies qui désignent l'hélium.

Pourquoi : Deux éléments peuvent avoir des raies voisines, à un nanomètre près. Un élément n'est présent que si toutes ses raies principales apparaissent, et la couleur d'une raie ne prouve rien.

6. Dire que le prisme fabrique les couleurs

1 point sur une question d'explication

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le prisme colore la lumière blanche. »

Ce qu'il faut écrire

« Le prisme sépare des radiations déjà présentes dans la lumière blanche, parce que l'indice du verre dépend de la longueur d'onde. »

Pourquoi : La preuve tient en une expérience : la lumière d'un laser, monochromatique, ressort du prisme déviée mais sans aucune couleur nouvelle.

7. Croire que le rouge est le plus dévié

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le rouge a la plus grande longueur d'onde, donc c'est lui que le prisme dévie le plus. »

Ce qu'il faut écrire

« L'indice du crown vaut $1{,}532$ pour le violet et $1{,}514$ pour le rouge : le violet est le plus dévié. »

Prisme de crown, incidence

50^{\circ}

: le violet ressort plus incliné que le rouge, sa déviation vaut

40{,}0^{\circ}

contre

38{,}4^{\circ}

Pourquoi : Le plus grand indice donne le plus petit angle de réfraction à l'entrée, donc la plus forte déviation. Pour un prisme de crown éclairé sous $50^{\circ}$ , le violet sort à $50{,}0^{\circ}$ et le rouge à $48{,}4^{\circ}$ .

8. Multiplier par le coefficient d'étalonnage au lieu de diviser

toute la question, et l'identification qui suit

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La raie est à $40{,}0\ \mathrm{mm}$ , avec $k=0{,}080\ \mathrm{mm/nm}$ : $\lambda=0{,}080\times 40{,}0=3{,}2\ \mathrm{nm}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $x=k\times\lambda$ , donc $\lambda=\dfrac{x}{k}=\dfrac{40{,}0}{0{,}080}=500\ \mathrm{nm}$ . »

Pourquoi : Une raie visible est entre $400$ et $800\ \mathrm{nm}$ : un résultat de quelques nanomètres signale l'erreur avant même de comparer aux tables.

Quelle méthode choisir

Quelle source se cache derrière ce spectre ?

On regarde la FORME du spectre, jamais la couleur de la lumière : la forme dit d'où vient la lumière avant tout calcul.

Quatre formes, quatre familles : le continu du corps chaud, les quatre raies de l'hélium, la raie unique du laser à

405\ \mathrm{nm}

, la bande de la LED bleue.

Si une bande colorée sans interruption sur tout le visible → spectre continu d'origine thermique : un corps chaud et dense

Exemple : filament de lampe, métal en fusion, surface du Soleil

plus le spectre est riche en violet, plus le corps est chaud
Si quelques traits fins séparés sur un fond noir → spectre de raies : un gaz chaud sous faible pression ; on identifie l'élément

Exemple : hélium : $447$ , $502$ , $588$ , $668\ \mathrm{nm}$
Si un seul trait fin → lumière monochromatique : en pratique, un laser

Exemple : laser violet à $405\ \mathrm{nm}$
Si une bande étroite de quelques dizaines de nanomètres → lumière colorée mais polychromatique : une LED

Exemple : LED bleue de $455$ à $485\ \mathrm{nm}$ , soit $30\ \mathrm{nm}$ de large

Si le spectre mêle des raies et une bande, la lampe combine deux sources : un tube fluorescent porte les raies du mercure ET les bandes de sa poudre.

Dans quel domaine est cette radiation ?

On convertit d'abord la longueur d'onde en nanomètres, puis on la compare aux deux bornes $400$ et $800\ \mathrm{nm}$ .

Si $\lambda<400\ \mathrm{nm}$ → ultraviolet, invisible

Exemple : $3{,}65\times 10^{-7}\ \mathrm{m}=365\ \mathrm{nm}$ : lampe à lumière noire
Si $400\ \mathrm{nm}\le\lambda\le 800\ \mathrm{nm}$ → visible, du violet au rouge

Exemple : $5{,}32\times 10^{-7}\ \mathrm{m}=532\ \mathrm{nm}$ : vert
Si $\lambda>800\ \mathrm{nm}$ → infrarouge, invisible

Exemple : $1{,}55\ \mathrm{\mu m}=1\,550\ \mathrm{nm}$ : fibres optiques

Une valeur en micromètres se multiplie par 1 000 pour passer en nanomètres.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Identifier les éléments présents à partir d'un spectre de raies

Quand l'utiliser : L'énoncé donne les raies d'une lampe ou d'une flamme et une table de raies de référence.

1 Relever TOUTES les longueurs d'onde observées, en nanomètres.
2 Pour chaque élément de la table, vérifier que toutes ses raies principales figurent dans le spectre : une seule absente suffit à l'exclure.
3 Vérifier qu'aucune raie observée ne reste sans explication ; une raie orpheline signale un élément de plus.
4 Comparer les valeurs à la précision des données, jamais la couleur des raies.
5 Conclure par une phrase qui cite les raies.

Phrase de conclusion

« Les raies à $447$ , $502$ , $588$ et $668\ \mathrm{nm}$ sont toutes celles de l'hélium, et elles expliquent toutes les raies observées : la lampe contient de l'hélium. »

Le piège : Conclure dès la première raie commune, ou sur la couleur de la flamme.

Barème : Souvent 1 point pour la comparaison complète, 1 point pour la phrase de conclusion.

Expliquer la dispersion de la lumière blanche par un prisme

Quand l'utiliser : « Expliquez pourquoi le prisme décompose la lumière blanche. »

1 Dire que la lumière blanche contient toutes les radiations du visible.
2 Dire que l'indice du verre dépend de la longueur d'onde, plus grand pour le violet que pour le rouge.
3 Appliquer $n_1\sin i_1=n_2\sin i_2$ : sous la même incidence, chaque radiation est réfractée sous un angle différent.
4 Dire que la seconde face, inclinée par rapport à la première, accentue l'écart au lieu de l'annuler.
5 Conclure : les radiations sortent séparées, le violet le plus dévié.

Phrase de conclusion

« L'indice du verre dépend de la longueur d'onde : le prisme sépare les radiations déjà présentes dans la lumière blanche, le violet étant le plus dévié. »

Le piège : Écrire que le verre « colore » la lumière, ou que le rouge est le plus dévié.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

Une raie visible fait trois chiffres en nanomètres

Toute longueur d'onde visible tombe entre $400$ et $800\ \mathrm{nm}$ . Un résultat de quelques nanomètres ou de plusieurs milliers signale une division à l'envers ou une puissance de dix perdue.

Trouver $3{,}2\ \mathrm{nm}$ pour une raie verte dit qu'on a multiplié par $k$ au lieu de diviser.
Le violet est toujours le plus dévié

Avec un prisme, comparer les deux angles trouvés : le plus grand indice doit donner le plus petit angle de réfraction à l'entrée et la plus grande déviation.

Un violet réfracté sous $30{,}4^{\circ}$ et un rouge sous $30{,}0^{\circ}$ disent que les deux indices ont été intervertis.
Toutes les raies sont expliquées

Après une identification, barrer chaque raie observée attribuée à un élément : il ne doit rien rester.

Une raie à $640\ \mathrm{nm}$ restée seule dans un spectre d'hélium signale un second gaz, par exemple du néon.
Plus chaud, plus bleu

Relire toute conclusion sur un corps chaud : une température plus haute va avec un spectre plus riche en violet et un maximum à plus courte longueur d'onde.

Écrire qu'un filament à 3 000 K est « plus rouge » qu'un four à 1 500 K est faux.

L'exercice type décortiqué

Étalonner un spectroscope, puis identifier une lampe

Un spectroscope est étalonné avec une lampe à hydrogène ( $434$ , $486$ et $656\ \mathrm{nm}$ ) et une lampe à sodium ( $589\ \mathrm{nm}$ ) : leurs raies apparaissent à $34{,}7$ ; $38{,}9$ ; $52{,}5$ et $47{,}1\ \mathrm{mm}$ sur la règle de l'appareil.

Une lampe Y donne des raies à $35{,}8$ ; $40{,}2$ ; $47{,}0$ et $53{,}4\ \mathrm{mm}$ . Tables : hélium $447$ , $502$ , $588$ , $668\ \mathrm{nm}$ ; néon $585$ , $614$ , $640$ , $703\ \mathrm{nm}$ . Quel gaz contient la lampe Y ?

La raie jaune de la lampe Y, à

47{,}0\ \mathrm{mm}

, est presque sur celle du sodium, à

47{,}1\ \mathrm{mm}

: ce sont ses trois autres raies qui décideront.

Étape 1

$\dfrac{34{,}7}{434}\approx 0{,}0800$ ; $\dfrac{38{,}9}{486}\approx 0{,}0800$ ; $\dfrac{52{,}5}{656}\approx 0{,}0800$ ; $\dfrac{47{,}1}{589}\approx 0{,}0800$ , donc $x=0{,}080\times\lambda$ .

Pourquoi

Le rapport constant prouve la proportionnalité : sans cette vérification, la conversion qui suit n'a aucune base.

Étape 2

$\lambda=\dfrac{x}{0{,}080}$ : $447{,}5$ ; $502{,}5$ ; $587{,}5$ et $667{,}5\ \mathrm{nm}$ .

Pourquoi

On DIVISE par $k$ . La précision de lecture, $0{,}1\ \mathrm{mm}$ , vaut ici $1{,}25\ \mathrm{nm}$ : on ne peut pas départager deux raies plus proches que cela.

Étape 3

Hélium : $447$ , $502$ , $588$ et $668\ \mathrm{nm}$ sont toutes présentes, à la précision près. Néon : aucune de ses raies, $614$ , $640$ , $703\ \mathrm{nm}$ , n'apparaît.

Pourquoi

On teste chaque élément par TOUTES ses raies : c'est ce qui écarte le néon, dont la raie à 585 nm n'est qu'à 2,5 nm de la raie jaune observée.

Étape 4

Les quatre raies de Y sont expliquées par l'hélium.

Pourquoi

Aucune raie orpheline : pas besoin d'un second gaz pour expliquer le spectre.

Étape 5

Vérification : les quatre longueurs d'onde sont entre $400$ et $800\ \mathrm{nm}$ , et $0{,}080\times 668=53{,}4\ \mathrm{mm}$ redonne bien la position mesurée.

Pourquoi

Recalculer une position à partir de la table attrape une erreur de division en cinq secondes.

Conclusion rédigée

Les raies de Y, à $447$ , $502$ , $588$ et $668\ \mathrm{nm}$ , sont toutes celles de l'hélium et les expliquent toutes : la lampe Y contient de l'hélium.

L'erreur classique sur cet exercice : Conclure au sodium sur la seule raie jaune : $587{,}5$ et $589\ \mathrm{nm}$ sont à la limite de précision, et le sodium n'explique aucune des trois autres raies.

À savoir par cœur

• Visible : de $400\ \mathrm{nm}$ (violet) à $800\ \mathrm{nm}$ (rouge) ; $1\ \mathrm{nm}=10^{-9}\ \mathrm{m}$ .
• Corps chaud et dense : spectre CONTINU ; gaz chaud sous faible pression : spectre de RAIES.
• Plus un corps est chaud, plus son spectre s'enrichit vers le VIOLET.
• Monochromatique = une seule raie ; une lumière colorée peut être polychromatique.
• Un élément est présent si TOUTES ses raies principales apparaissent.
• L'indice dépend de la longueur d'onde : le prisme sépare, le VIOLET est le plus dévié.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un spectre continu et un spectre de raies en Seconde ?

Un spectre continu contient toutes les radiations du visible sans interruption : il est émis par un corps chaud et dense, comme un filament ou le Soleil, et renseigne sur sa température. Un spectre de raies ne contient que quelques radiations : il est émis par un gaz chaud sous faible pression et renseigne sur les éléments présents.

Comment savoir si une lumière est monochromatique ?

On regarde son spectre, pas sa couleur. Une lumière monochromatique ne donne qu'une seule raie, comme celle d'un laser. Une LED colorée donne une bande de plusieurs dizaines de nanomètres : sa lumière est polychromatique, même si elle paraît d'une seule couleur.

Pourquoi un prisme décompose-t-il la lumière blanche ?

Parce que l'indice du verre dépend de la longueur d'onde : il est plus grand pour le violet que pour le rouge. D'après la loi de Snell-Descartes, chaque radiation est donc réfractée sous un angle différent, et la seconde face accentue l'écart. Le prisme ne crée aucune couleur, il sépare celles que contient déjà la lumière blanche.

Comment identifier un élément avec un spectre de raies ?

On relève toutes les longueurs d'onde des raies, en nanomètres, puis on les compare aux tables de référence. Un élément n'est présent que si toutes ses raies principales apparaissent ; une seule raie commune ne prouve rien, et la couleur d'une raie non plus. On vérifie enfin que chaque raie observée est expliquée.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Lumière blanche, lumière colorée et spectres

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

10 exercices corrigés
100 points
150 minutes

Faire les exercices

Il manque quelque chose dans cette fiche ? Une méthode, un piège, un exercice pour l'appliquer, une erreur repérée : dis-le-moi, je lis chaque demande.

L'envoi passe par ton espace gratuit : c'est ce qui me permet de te répondre et de te prévenir quand l'exercice est ajouté. Un courriel suffit, pas de mot de passe. Crée ton espace. Pas envie de créer un compte ? Écris-moi directement.

Fiche précédente Vision et image : réflexion, réfraction, lentilles Fiche suivante Signal et capteur : circuits et loi d'Ohm

Ce chapitre resservira dans

Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

Le Soleil, notre source d'énergiePremière, Enseignement scientifique Ondes, lentilles et lumièrePremière

© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/2ndespc-lumiere-spectres. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

Voir aussi

Toutes les fiches Tous les exercices Ondes et signaux (Seconde)Tuteur Seconde Tuteur de physique

Vous cherchez un tuteur de physique-chimie en Seconde à Montréal ?

Contactez-moi pour une première séance. Les spectres reviennent en Première, avec les photons, et en Terminale : un élève qui sait lire un spectre en Seconde aborde ces chapitres sans difficulté.

Me contacter WhatsApp

Site par Studio Squalli