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Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 5. Le photon © Nathan 2011 1 / 11 Chapitre 5 - Le photon Manuel pages 78 à 95 Choix pédagogiques Avec la loi de Wien, le chapitre 4 a abordé l’aspect énergétique du rayonnement lumineux, étudié plus en détail dans ce chapitre. On explique d’abord que le modèle ondulatoire de la lumière est insuffisant pour décrire les échanges d’énergie entre lumière et matière. Après avoir introduit le photon, on applique le modèle corpusculaire aux échanges d’énergie entre atomes et lumière. On fait ainsi le lien avec les notions spectrales abordées en seconde. Nous avons choisi de ne détailler la notion de quantification des niveaux d’énergie de la matière que dans le cas de l’atome. Pour ne pas rajouter encore une notion nouvelle à un chapitre qui en contient déjà beaucoup, nous avons pris, hormis dans certains exercices d’approfondissement, l’origine des niveaux d’énergie de l’atome au niveau fondamental. Des animations et des simulations ont été créées pour illustrer ce chapitre et aider à sa compréhension. Elles sont disponibles dans le manuel numérique enrichi. Des exercices supplémentaires y sont également disponibles. Double page d’ouverture L’avion solaire Solar Impulse Pour des informations détaillées sur cette expérience, on pourra consulter le site http://www.solarimpulse.com. Les moteurs de cet avion sont alimentés exclusivement par des cellules photovoltaïques qui transforment l’énergie solaire en courant électrique. Une partie de l’énergie est emmagasinée pour le fonctionnement nocturne. Vue d’artiste du voilier solaire Ikaros Cette voile, dont le déploiement a été réussi le 10 juin 2010, est destinée à tester la faisabilité de propulsion par la pression de radiation. On trouvera en fin de chapitre un exercice concernant cette expérience. Le mot « voilier » devrait donner un indice sur la solution, l’idée étant de trouver un point commun entre l’air et la lumière à l’échelle microscopique. On évitera la confusion entre le vent solaire, flux de particules dont l’effet est ici négligeable, et la pression de radiation imputable seulement aux photons. Le funiculaire de Montmartre On fera ici la distinction entre continuité et discontinuité des variations : changement de niveaux continus pour le funiculaire et par bonds d’une marche au moins pour l’escalier ; on peut faire varier de façon continue la hauteur d’une note d’un violon tandis que le manche d’une guitare est divisé en cases correspondant chacune à une note distincte. Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 5. Le photon © Nathan 2011 2 / 11 Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1. La catastrophe ultraviolette Commentaires Pour établir un lien avec le rayonnement thermique rencontré au chapitre précédent, nous proposons l’exploitation d’un document d’histoire des sciences concernant l’évènement déclencheur de la découverte du photon, illustration intéressante de la façon dont progresse la connaissance scientifique. Des réponses aux questions, on attend que soit bien comprise l’importance de la distinction entre continuité et discontinuité des échanges d’énergie. Réponses 1. Comprendre le texte 1 a. corrobore : l’expérience est en accord avec le texte. b. catastrophe ultraviolette : les prévisions de la théorie du rayonnement thermique sont en désaccord complet avec l’expérience dans le domaine des UV. c. continu : la quantité échangée peut prendre toutes les valeurs possibles, aussi petites qu’elles soient ; discontinu : les quantités échangées ne peuvent prendre que certaines valeurs, ou encore, les quantités sont échangées par paquets. d. artifice de calcul : on introduit une hypothèse qui ne sert qu’à résoudre un calcul mais sans rapport avec la réalité. 2. Interpréter les documents a. On pourrait sentir une pluie de particules : gouttes d’eau ou grêlons pendant une averse ou grains de sable projetés par le vent. b. Le texte indique que l’énergie du photon est inversement proportionnelle à la longueur d’onde : c’est la lampe UV qui émet les photons de plus grande énergie. 3. Rechercher des exemples Quelques idées d’exemples pris dans la vie courante : café moulu en paquet (en négligeant la dimension des grains) et en dosettes ; un filet d’eau et un goutte à goutte ; un piano et un trombone à coulisse... On pourra faire remarquer que l’idée de continuité dépend de l’échelle d’observation. Des exemples dans le domaine de l’histoire des sciences : hypothèses de la structure continue et discontinue de la matière (l’idée de l’atome) ; le courant électrique considéré comme un fluide et comme un mouvement d’électrons. Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 5. Le photon © Nathan 2011 3 / 11 Animation interactive 2. Un argument expérimental en faveur du photon Commentaires On peut difficilement passer sous silence la première mise en évidence de la réalité du photon qu’a constitué l’étude de l’effet photoélectrique. L’activité est conçue dans l’idée de donner un aperçu du phénomène et de son interprétation tout en ne nécessitant qu’une durée modeste. L’étape 1 explique brièvement en quoi consiste l’effet photoélectrique et son rôle dans le montage ; l’étape 2 explore deux des propriétés qui contribuent à justifier l’hypothèse du photon. Réponses Étape 1 1. Observer L’intensité du courant est nulle dans l’obscurité et elle augmente avec l’intensité lumineuse. Il n’y a pas lieu de chercher une relation mathématique (il n’y a proportionnalité que pour l’intensité de saturation). 2. Interpréter a. K non éclairée : A et K ne sont pas en contact électrique donc les électrons ne peuvent pas circuler. b. K est éclairée : des électrons sont éjectés et peuvent circuler entre A et K. Quand l’intensité de la lumière augmente, on augmente le nombre d’électrons éjectés pendant une durée donnée. Étape 2 3. Observer a. Tant que ! est supérieure à une certaine valeur (580 nm environ), il n’y a pas de courant. Un courant apparaît lorsque ! diminue encore. b. Il n’y a pas de courant quelque soit l’intensité lumineuse. 4. Conclure Hypothèse A Un électron peut être éjecté dès qu’il a reçu assez d’énergie lumineuse. Or, lorsque la longueur d’onde dépasse 580 nm, on n’arrive pas à éjecter les électrons même en augmentant l’intensité lumineuse. Hypothèse B Pour que des électrons soient éjectés, il faut que l’énergie d’un photon, qui dépend de la longueur d’onde, soit suffisante ce qui explique qu’un courant n’apparaît que pour certaines longueurs d’onde (cas 1). Si l’énergie des photons n’est pas suffisante, il n’y a pas d’effet sur les électrons ; or cette énergie dépend de la longueur d’onde de la lumière et non pas de l’intensité lumineuse (cas 2). Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 5. Le photon © Nathan 2011 4 / 11 Activité documentaire 3. Atomes et photons Commentaire Cette activité répond à la compétence attendue « exploiter un diagramme de niveaux d’énergie ». Réponses 1. Analyser les documents a. Distribution discontinue. b. Les raies d’absorption et d’émission coïncident. Vu en seconde : un atome ne peut absorber que les radiations qu’il est susceptible d’émettre. 2. Interpréter a. Émission : l’atome perd de l’énergie ; passage vers un niveau inférieur. Absorption : l’atome reçoit de l’énergie ; passage vers un niveau supérieur. b. Les photons échangés n’ont pas n’importe quelle énergie, à cause de la quantification des niveaux d’énergie de l’atome. Il en est de même pour les radiations susceptibles d’être émises ou absorbées. c. Les énergies pouvant être reçues sont les mêmes que celles qui peuvent être fournies : elles sont égales aux écarts entre les niveaux d’énergie. Il en est de même pour les photons émis et absorbés et donc aussi pour les radiations. 3. Exploiter les données a. b. Les deux valeurs 0,409 " 10-18 J et 0,303 " 10-18 J correspondent respectivement aux différences entre 2,04 " 10-18 J (niveau 4) et 1,63 " 10-18 J (niveau 2) ; et 1,93 " 10-18 J (niveau 3) et 1,63 " 10-18 J (niveau 2). Ainsi : - 486 nm : niveau 4 à 2 ; - 656 nm : niveau 3 à 2. c. 434 nm : #% = %5 – %2 ; %5 = (0,458 + 1,63) " 10-18 = 2,09 " 10-18 J ; 410 nm : #% = %6 – %2 ; %6 = (0,485 + 1,63) " 10-18 = 2,12 " 10-18 J. ! (nm) 410 434 486 656 #% ("10-18 J) 0,485 0,458 0,409 0,303 Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 5. Le photon © Nathan 2011 5 / 11 Exercices Exercices d’application 5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. ! = c " b. ondulatoire ; corpusculaire c. ∆% = h$ d. niveaux ; quantifiées e. photon f. continu ; raies ; absorption 2. QCM a. 5,45 " 1014 Hz : ! = c " = 3#108 550 #10$9 (ne pas oublier d’exprimer ! en m). b. J%s. c. Est supérieure à celle d’une radiation de lumière rouge. L’énergie des photons ne dépend que de la longueur d’onde dans le vide (ou de la fréquence) de la radiation ; elle diminue lorsque la longueur d’onde dans le vide augmente. !violet < !rouge et !! = hc " , donc #% violet > #% rouge. d. D’un photon d’énergie 12,1 eV. uploads/Litterature/ sirius-1ere-s-prof-corriges 1 .pdf