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Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulair

Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 1 Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Présentation Ce chapitre vise, conformément au programme officiel, à introduire les modèles scientifiques apparus au cours de l’histoire des sciences pour expliquer de nombreuses observations quotidiennes et scientifiques liées à la nature physique intrinsèque de la lumière. D’apparence contradictoire, les modèles ondulatoire et particulaire de la lumière sont complémentaires pour expliciter les observations expérimentales (phénomène de réfraction/réflexion, interaction de faible énergie avec la matière : spectre émission/absorption). Les activités permettent de découvrir les ondes électromagnétiques et leurs domaines spectraux, et d’utiliser les relations existantes entre l’énergie, la longueur d’onde et la fréquence. Elles permettent aussi d’appréhender l’évolution et l’avènement du modèle particulaire au travers d’expériences historiques. Les limites de chaque modèle sont présentées pour illustrer la dualité onde/corpuscule de la lumière. Place dans la progression Ce chapitre est placé en dernière place dans les deux propositions de progressions disponibles en téléchargement en complément du livre du professeur. Il peut s’intégrer soit dans le thème « Ondes et signaux » qui correspond au thème 4 du programme officiel, soit dans un bloc intitulé « Approche énergétique des phénomènes physico- chimiques ». Si les notions de cortège électronique, de domaines spectraux et les relations entre longueur d’onde, fréquence et période sont requis pour aborder ce chapitre, rien n’empêche de le traiter plus tôt dans l’année dans le prolongement des chapitres 16 (Ondes mécaniques) et 17 (Images et couleurs). Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 2 Présentation 1 Place dans la progression 1 Activités 2 Activité d’exploration 1 : La grande famille des ondes électromagnétiques 2 Activité d’exploration 2 : Le photon, toute une histoire d’énergie ! 4 Activité expérimentale 3 : A chaque atome, son spectre d’émission 6 Cours 9 Exercices 10 QCM 10 Pour s’échauffer 11 Pour commencer 12 Différenciation 14 Pour s’entraîner 16 Pour aller plus loin 25 Problèmes à résoudre 27 Retour sur la problématique du chapitre 29 Activités Les trois activités proposent d’aborder les connaissances définies au programme. La première activité permet de présenter les domaines des ondes électromagnétiques, la seconde traite de la dualité onde/particule par une approche énergétique de la notion de photon, et la dernière est centrée sur la quantification des niveaux énergétiques dans l’atome. Activité d’exploration 1 : La grande famille des ondes électromagnétiques Présentation Cette première activité est une étude de document qui permet de parcourir tout le spectre électromagnétique en mobilisant des grandeurs caractéristiques d’une onde (fréquence, période, longueur d’onde) vues au cycle 4 et en seconde. Il permet aussi de faire la découverte de différents domaines spectraux et de leurs usages dans notre environnement. Durée estimée ● 45 minutes : Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 3 ○ Expression des connaissances antérieures (relations entre la période, la fréquence, la longueur d’onde) : 05 - 10 minutes ; ○ Analyse dimensionnelle d’une relation entre grandeurs physiques : 10 minutes ○ Analyse de document : détermination d’un intervalle de longueur d’onde et de fréquence : 10 minutes ; ○ Synthèse de l’activité : 10 minutes. Lien avec le programme ● Savoir identifier un domaine spectral. ● Connaître l’ordre de grandeur en fréquence ou en longueur d’onde de la vie quotidienne. Compétence ➔ VAL : Évaluer et connaître des ordres de grandeur Réponse détaillée 1. En classe de seconde, les élèves ont vu que la fréquence, notée f ou , est l’inverse de la période T. La relation entre la longueur d’onde et la période T : est aussi connue. On en déduit alors la relation ou qui permet d’exprimer la longueur d’onde en fonction de la fréquence. L’homogénéité de la de formule peut être vérifiée en comparant les unités de part et d’autre de l’égalité : → à gauche, la longueur d’onde s’exprime (m) ; → à droite, la célérité c s’exprime en (m·s-1) tandis que la fréquence f, s’exprime en (Hz). Comme elle est définie en tant qu’inverse de la période, elle s’exprime également en (s-1) qui est l’unité de référence. Par conséquent, en comparant les unités à gauche et à droite : On retrouve les même unités à droite et à gauche de l’égalité : la formule mathématique est homogène au niveau des unités. 2. , la fréquence f est inversement proportionnelle à la longueur d’onde . Par conséquent, la longueur d’onde évolue en sens inverse de la fréquence : quand l’une augmente, l’autre diminue. Cela justifie l’orientation opposée des deux axes du schéma illustrant le découpage du spectre électromagnétique. 3. D’après les informations du le tableau et du schéma, l’axe rouge des longueurs d’onde , orienté de gauche à droite, montre que le domaine visible est compris entre le domaine Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 4 ultraviolet (UV : < 400 nm) et infrarouge (IR : > 800 nm). Les longueurs d’onde du domaine visible sont comprises dans l’intervalle : [ ] = [400 nm ; 800 nm]. 4. D’après l’énoncé, la bande radio FM utilisée par les pays est comprise dans l’intervalle de fréquence . Avec , l’intervalle de bande radio FM correspond à , ce qui est en corrélation avec les données du tableau. Synthèse de l’activité : Aide et éléments différenciants La vérification de l’homogénéité d’une relation à l’aide de l’unité de chacune des grandeurs physiques impliquées peut être une difficulté à surmonter pour la première fois. Il est souhaitable d’accompagner cette activité d’un exemple à mettre à disposition (papier, vidéoprojecteur) des élèves les plus en difficulté. Ressources supplémentaire et pistes d’exploitation Il existe des animations en ligne qui présentent les différents domaines spectraux de la famille des ondes électromagnétiques, dont : LLS.fr/PCSpectreOEM. Activité d’exploration 2: Le photon, toute une histoire d’énergie ! Présentation Cette seconde activité présente l’émergence du modèle particulaire de la lumière au travers d’une étude de documents. Il permet de comprendre l’effet photoélectrique en modélisant l’interaction de la lumière avec la matière. L’élève découvre l’existence théorique du photon et la nécessité de la quantification de l’énergie pour expliquer les observations expérimentales. La corrélation qui existe entre l’énergie du photon émis/absorbé avec l’énergie de l’atome modifiée lors des transitions électroniques, modélisée par la différence des niveaux d’énergie, est aussi abordée. Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 5 Durée estimée ● 50 minutes : ○ lecture et analyse des trois documents écrits : 10 - 15 minutes ; ○ extraire les informations et rédiger les réponses : 25 minutes ; ○ synthèse de l’activité : 10 minutes. Lien avec le programme ● Connaître l’expression de l’énergie d’un photon. ● Connaître la quantification des niveaux d’énergie d’un atome. Compétence ➔ RAI/MOD : Appliquer le principe de conservation de l’énergie Réponse détaillée 1. L’étude du doc. 1 montre qu’il est possible d’arracher un électron à une plaque métallique uniquement si la fréquence lumineuse de la radiation dépasse une valeur seuil minimale. Il faut donc un niveau d’énergie minimal pour déclencher le phénomène. En modélisant la lumière par une onde, l’énergie minimale devrait être acquise en augmentant l’intensité lumineuse ou en attendant suffisamment longtemps. Ce n’est pas le cas puisque l’énoncé dit que le phénomène est observé sans délai et qu’il dépend de la fréquence de la lumière et non de son intensité. Par conséquent, l’observation de ce phénomène électrique à partir d’une fréquence seuil n’est pas compatible avec le modèle ondulatoire. 2. D’après le doc. 1, la variation d’énergie des électrons est une fonction linéaire de la fréquence de la lumière, notée . Elle s’exprime donc sous une forme mathématique de type , où est un réel. Le doc. 2 indique que l’échange d’énergie ne se fait que par paquets indivisibles, dont la plus petite valeur est ; il s’agit de la valeur correspondant à un grain de lumière, donc un photon, avec . Le doc. 3 renseigne sur la variation d’énergie correspondant à l’absorption ou à l’émission d’un photon de lumière. On en déduit que donc . 3. Le schéma du doc. 3 montre que la différence d’énergie de l’atome entre deux niveaux d’énergie Em et En s’exprime tel que où Em < En. En supposant qu’il existe une conservation de l’énergie lors de l’effet photoélectrique, l’énergie acquise par un électron est égale à celle apportée par le photon absorbé tel que soit , où le signe négatif indique une perte d’énergie du système. Ainsi , peut se calculer à partir des niveaux d’énergie de l’atome . Livre du professeur - PC 1re - Chapitre 18 : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière Document sous licence libre Creative Commons 6 4. Un uploads/Litterature/ pc-1spe3-s9-zaoui-chapitre18.pdf