Avec une lampe à incandescence, puis une lampe à vapeur
de sodium, éclairez un écran placé à une cinquantaine
de centimètres. Entre l'écran et la lampe, interposez une
vapeur d'atomes de sodium obtenue en chauffant une baguette de verre avec
un bec Bunsen. Observez sur l'écran une ombre portée, très
légère lorsque la lampe à incandescence est employée
(due à des changements de l'indice de l'air du fait de l'élévation
de température), très marquée lorsque c'est la lampe
à vapeur de sodium qui éclaire l'écran. En ce cas,
la vapeur de sodium absorbe le rayonnement incident directif, et le réemet
dans toutes les directions, d'où une diminution de l'éclairement
de l'écran.
Inconvénient : l'interprétation n'est pas directe ; il
faudrait recommencer l'expérience avec d'autres lampes spectrales.
Avantage : l'expérience permet de bien situer la position du
nuage d'atomes de sodium, pour le montage suivant.
Réalisez le montage suivant, de préférence
sur une plaque de bois, sur laquelle seront repérées les
positions et les caractéristiques de tous les accessoires, pour
que la prochaine démonstration soit plus simple à mettre
en oeuvre.
La source lumineuse est un projecteur de diapositives équipé d'une lampe à incandescence basse tension, 24 V, 150 W, dont l'objectif a été retiré. Le condenseur interne au projecteur donne du filament de la lampe une image placée devant le projecteur, qui se comporte comme un objet réel pour le condenseur externe formé par une lentille de grand diamètre, de 15 cm de distance focale (par exemple, lentille Leybold). Ce condenseur est exceptionnellement réglé pour former l'image du filament de la lampe sur la fente (qui doit donc être métallique, pour résister à l'élévation de température). (Note : Normalement, la fente doit être collée contre le condenseur, pour limiter son échauffement).
Dans la zone entre condenseur et fente, à l'endroit où
se forme l'image du cadre de diapositive (un rectangle très lumineux,
où devront se trouver les vapeurs de sodium), il y a assez de place
pour insérer une grille portant une pastille de chlorure de sodium,
ou du carbonate de sodium chauffé par un bec Bunsen incliné
d'environ 20° par rapport à l'horizontale. Éventuellement,
on peut envisager de réduire la taille de ce rectangle lumineux,
en plaçant dans le cadre de diapositives, un carton percé
d'un rectangle horizontal de 1 x 2 cm.
Un objectif de bonne qualité (par exemple, l'objectif du projecteur
de diapositives, tenu dans une pince de chimie à trois doigts) forme
l'image de la fente sur l'écran, à travers un système
très dispersif, prisme à vision directe, ou réseau
de 500 à 600 traits par millimètre.
La fente doit être très fermée, les centrages et
mises au point soignées ; la position latérale du prisme
est critique.
Une fois que la raie noire d'absorption est observée, il devient
possible d'affiner les réglages (mise au point, position latérale
du prisme, hauteur de la grille supportant le carbonate de sodium) ; la
largeur de fente peut alors être augmentée pour accroître
la luminosité. Diverses manipulations sont à envisager pour
prouver que ce sont bien les vapeurs de sodium qui sont responsables du
phénomène observé.
Distances utilisées :
Il est facile à obtenir, avec un bon spectroscope visant
un mur blanc, ou le bleu du ciel, mais en aucun cas le Soleil. Vous pouvez
afficher un tableau de spectres du commerce. Je suis personnellement, à
chaque fois, surpris de constater que la grande majorité des élèves
ne voit pas les raies d'absorption, malgré le tableau discrètement
placé dans la salle, et le titre de la leçon !
Beaucoup ne voient le phénomène qu'après qu'on
le leur ait décrit !
De nombreux montages ont été proposés dans
le BUP, ou d'autres ouvrages. Il y en a pour tous les goûts, preuve
que, en démonstration de cours, ces expériences ne sont pas
si faciles que cela.
Un montage particulièrement simple consiste à constituer une fente sur la vitre d'un rétroprojecteur, avec deux bandes de carton, et à placer un réseau sur la lentille de projection. C'est simple, mais on en a pour ses efforts : le réseau est à l'endroit le plus chaud du montage, et fait la tête au bout de quelques temps. Les spectres de raies d'émission sont oubliés.
Voici un montage certes plus compliqué, mais qui permet de montrer aussi les spectres de raies et en cadeau les couleurs complémentaires, ainsi que la reconstitution de la lumière blanche par superposition des trois couleurs primaires lumière, rouge, bleu et vert. Réalisez le éventuellement sur une planchette sur laquelle vous marquerez les positions et les caractéristiques des accessoires utilisés. Cette planchette présente un autre intérêt : vous pouvez tourner l'ensemble du montage, pour placer facilement le spectre au bon endroit sur l'écran.
La source de lumière est un projecteur de diapositives, à lampe basse tension, 24 V, 150 W, sans son objectif, qui servira plus loin dans le montage. Le projecteur est placé sur un support télescopique, et la première chose à faire est d'ajuster sa hauteur, pour qu'elle soit la même que celle des lampes spectrales dont on dispose. Les différentes sources de lumière pourront ainsi être échangées instantanément. Pendant que vous y êtes, allumez les lampes spectrales, et ne les éteignez plus tant que la démonstration ne sera pas terminée : elles n'aiment pas être allumées à chaud, et leur intensité lumineuse croît après plusieurs minutes de fonctionnement. Après usage, tournez les, allumées, vers le tableau (s'il est noir ! ). Surtout, ne les soumettez à aucun choc ; comme toute lampe allumée, elles sont fragiles à chaud.
Le condenseur est un modèle classique, constitué de deux
lentilles plan convexes, côté rouge vers le projecteur.
L'objectif pourra être une lentille Leybold de grand diamètre
et de 15 cm de focale, ou l'objectif du projecteur de diapositives, tenu
dans une pince de chimie, à trois doigts. Vous ménagerez
une distance de quelques centimètres entre la face de sortie de
l'objectif et l'entrée du prisme, de préférence à
vision directe, pour la suite de la démonstration. L'écran
sera plus ou moins éloigné (1 à 2 mètres) et
en biais, pour étaler le spectre.
Vous pouvez commencer la démonstration avec un "vrai" prisme, pour que votre public soit convaincu que la lumière est déviée vers la base du prisme et que le bleu est plus dévié que le rouge, puis passer au prisme à vision directe, en tournant l'ensemble du montage.
Les réglages se font d'abord avec la fente assez largement ouverte,
puis plus étroite.
Dans le spectre continu de la lumière blanche donnée
par une lampe à incandescence, lorsque tout est bien réglé,
on n'observe quasiment que trois bandes, rouge verte et bleue (de même
largeur si le prisme est remplacé par un réseau). La zone
jaune est très étroite. Sur les livres, ou les reproductions
de spectres, elle est beaucoup trop large, preuve d'un montage mal réglé,
où le rouge se superpose au vert. Dans quel but ? Peut être
de reproduire les couleurs de l'arc en ciel ? Mais qui a dit que le spectre
donné par un arc en ciel était "bien réglé"
?
Un écran blanc en polystyrène ne met pas en évidence les raies ultraviolettes du mercure, contrairement à une blouse blanche lavée depuis peu, ou une feuille de papier. (Voilà expliqué le mystère de la lessive qui lave plus blanc que blanc : les ultraviolets sont convertis en lumière visible).
Avec le projecteur de diapositives, il est facile de montrer le
spectre de bandes d'absorption du permanganate de potassium en solution
dans l'eau. Une bonne question est : "où placer la cuve à
faces parallèles (éventuellement une cuve à chromatographie)
? ". En fait elle peut être placée n'importe où sur
le trajet de la lumière, depuis la lampe jusqu'à l'oeil de
l'observateur. Donc loin de la lampe, pour éviter l'échauffement,
pas devant l'il, en démonstration de cours, car il faudrait beaucoup
de cuves (quoique, chaque fois que je peux, c'est cette solution que je
recommande à mes élèves, par exemple, en terminale
S, option de spécialité, pour mesurer la distance focale
d'une lentille, à différentes longueurs d'ondes de la lumière
employée. J'ai quelque part envie de leur mettre dans la tête
qu'il y a une grande différence entre la réalité et
ce que nous en percevons.), près de la fente, compte tenu de la
petite taille de la cuve, avant la fente, pour éviter de diminuer
la qualité de l'image, mais il n'y a guère de place, ou à
la sortie du prisme à vision directe. Une solution de permanganate
de potassium magenta assez foncé absorbe tout le vert du spectre
; en la diluant progressivement, on voit plusieurs bandes d'absorption
dans le vert, comme sur les panneaux de spectres du commerce.
L'échelle de la figure n'est pas celle de la précédente
; l'objectif est plus loin de la fente.
Éloignez l'objectif de la fente, pour en former l'image (donc
le spectre) plus près, sur une lentille de 15, ou 30 cm de focale.
Ajustez la position de cette deuxième lentille pour obtenir sur
l'écran l'image de la face d'entrée du prisme. Au besoin,
vous pouvez poser une pointe de crayon sur le prisme et ajuster la netteté
de son image sur l'écran. Soignez les réglages.
Sur la deuxième lentille, la lumière blanche est séparée
en ses primaires lumière, rouge, vert et bleu. Sur l'écran,
l'image de la face d'entrée du prisme est un rectangle blanc. Donc
rouge + vert + bleu donnent du blanc ; ce sont les primaires lumière
de la synthèse additive des couleurs.
Vous pouvez intercepter l'une des primaires lumière, avec une
tige verticale placée au niveau de la deuxième lentille.
Choisissez une tige du bon diamètre (quelques millimètres),
de préférence chromée. L'expérience est spectaculaire
: la tige renvoie dans la salle l'une des couleurs primaires, et la tache
sur l'écran est dans la couleur complémentaire. (Soigner
les réglages).
- rouge -> cyan (que les peintres appellent bleu ! )
- vert -> magenta (rouge pour les peintres ! )
- bleu -> jaune.
Rappelons que cyan, magenta et jaune sont les couleurs primaires de la synthèse soustractive des couleurs. On peut les appeler primaires pigment.
Les ouvrages destinés aux peintres font souvent une agréable salade de toutes ces notions physiques ; ne parlons pas des analyses de Goethe sur la couleur !
Lorsqu'un peintre mélange des couleurs transparentes, il pratique la synthèse soustractive ; il emploie donc les primaires pigment. Son bleu primaire est en fait du cyan (cela commence à figurer sur certains tubes), son rouge primaire est du magenta. Magenta plus jaune donne du rouge, puisque le jaune arrête le bleu et le magenta arrête le vert. Essayez avec des couleurs pour aquarelle, l'effet est spectaculaire.
Mais tout n'est pas si simple puisque en peinture à l'huile, il existe des teintes opaques, qui placées cote à cote et vues de loin donnent sur la rétine de l'observateur, un mélange qui se rapproche de la synthèse additive des couleurs.
Ajoutons que le cercle des couleurs utilise un artifice : L'oeil étant peu sensible au violet (le vrai du physicien) et au rouge sombre (pourpre), il devient possible de refermer le spectre en cercle. D'où une nouvelle confusion entre le vrai violet (observez le dans un vrai spectre) et le magenta.
Et pour compliquer le tout, il est impossible de maîtriser totalement
la réponse spectrale d'un pigment, d'autant que d'autres critères
(résistance à la lumière, durée de conservation),
sont primordiaux. Mais il est vrai qu'en ajoutant un rouge coupant le bleu,
mais laissant passer le vrai violet, à un vrai bleu laissant lui
aussi passer le violet, on devrait obtenir un vrai violet ; mais en fait,
on obtient souvent un magenta assez sombre.
De même, il est possible de foncer un rouge, pour donner du pourpre,
en lui ajoutant un bleu parfait (transparent totalement et coupant le rouge),
mais la encore, on obtient souvent un magenta assez sombre.
Remarquez que les deux couleurs extrêmes du spectre, violet et
rouge sombre ou pourpre, difficiles à obtenir, ont souvent été
associées à une position sociale ou hiérarchique élevée,
ou à des cérémonies d'importance particulière.
Dans un vrai spectre (observé sur un écran à l'oeil
nu et pas à travers un spectroscope), certaines couleurs sont totalement
absentes : magenta, marron, rose ; d'autres sont quasiment invisibles :
cyan, jaune, orange (si le spectre est réalisé avec une fente
assez fine).
Nous avons déjà parlé de l'ultraviolet. Employez
votre blouse blanche, une feuille de papier blanche, ou des écrans
au sulfure de zinc fournis par Leybold.
Pour l'infrarouge, un phototransistor convient (les BPW 22 et 44 sont
de type NPN). Son maximum de sensibilité se situe dans le rouge
; il a donc une sensibilité non négligeable dans le proche
infrarouge. Le LTR 4208 est un phototransistor infrarouge.
J'avais dans mon ouvrage sur les nouveaux programmes de physique de
la classe de seconde (aujourd'hui, anciens programmes), publié par
le CRDP de Franche-Comté, suggéré d'enlever le filtre
anticalorique du projecteur de diapositives, pour cette manipulation. J'employais
un projecteur de fabrication française qui a supporté ce
mauvais traitement ; par contre un projecteur de marque allemande, bas
de gamme (donc ni Zeiss, ni Leitz) n'a pas aimé du tout : la deuxième
lentille du condenseur interne s'est mise à bouillir. Elle était
en matière plastique, alors que la première était
en verre (économie ! ).
Donc pour ce montage, vous pouvez utiliser comme source, une lampe
basse tension 12 V, 50 W livrée par divers fournisseurs de l'éducation
nationale. Mais attention, avec ces mêmes lampes, sans filtre anticalorique,
si vous placez un composant en plastique (filtre, fente ... ) dans une
zone où le faisceau n'est pas très étalé, vous
risquez la destruction dudit composant.
Voici un enregistrement obtenu en déplaçant un phototransistor
BPW 22 dans le spectre continu obtenu à partir d'un projecteur de
diapositives. Le phototransistor était fixé sur le bras mobile
d'une table traçante ; les couleurs ont été repérées
à la main.
Vous pouvez acheter des petits spectroscopes de poche. Ceux constitués
d'un tube cylindrique en carton, à moins de 30 francs, sont peu
dispersifs, montés à la va vite, mais permettent des choses
intéressantes. Ceux en forme de boîte en carton sont plus
dispersifs, mais plus coûteux et plus fragiles.
Ils permettent aux élèves d'observer depuis leur place
le spectre de la lumière émise par les 'néons' éclairant
la classe. Il apparaît à l'évidence que ce spectre
est un spectre de raies, celui de la vapeur de mercure, auquel se superpose
un spectre continu, donné par la substance solide blanche qui recouvre
la paroi du tube.
De la à déduire que cet éclairage fluorescent
émet aussi de l'ultra violet et qu'il est donc cancérigène
à haute dose ...
Une fente émettant la lumière jaune du sodium peut être simplement réalisée en mettant le feu à un tortillon de papier hygiénique. Attention à ne pas mettre le feu à la maison en même temps ! Ce spectre là hante les mères de famille.
Vous pouvez enfin poser sur le bureau une lampe halogène alimentée
par un alternostat (les gradateurs ne permettent pas de diminuer suffisamment
l'intensité). La disparition de la partie bleue du spectre lorsque
la température du filament diminue est très visible.
Nous avons essayé divers schémas, employant tour à
tour transistor, transistor à effet de champ, régulateur
de tension. Les premiers ne permettent pas d'obtenir une intensité
réellement indépendante de la tension de sortie. Le régulateur
donne de bons résultats, pour une intensité assez forte.
Le montage qui suit est très supérieur à tous points de vue.
Un générateur de tension, alimentant des résistances,
crée dans celles ci un courant continu constant. Pour éviter
des fluctuations, lorsqu'on change d'alimentation, la tension constante
est créée par un régulateur de tension délivrant
+ 5 V (7805).
Cette tension de 5 V est appliquée à une résistance
de
Le point milieu du pont est à un potentiel de 0,1 V par rapport
à la masse. Ce point alimente une résistance de
Nous disposerons de deux sorties, 1 mA et 0,1 micro ampère.
Remarquez que les montages employés pour les deux amplificateurs
intégrés linéaires, lorsque la sortie intensité
est branchée sur un condensateur, deviennent de classiques montages
intégrateurs. C'est bien ce qui est souhaité.
Sur la sortie forte intensité doit être raccordé
un condensateur de forte capacité (
La mesure de la tension ne peut se faire directement aux bornes du petit
condensateur qui se déchargerait rapidement dans le voltmètre.
Celui ci est donc branché entre la sortie de l'AIL et la masse.
Le même montage peut être éventuellement retenu
pour la sortie 1 mA, par exemple si vous avez besoin de mesurer une tension
référencée par rapport à la masse.
Voici le schéma de principe que vous saurez adapter à vos besoins réels. Il est sans doute possible de générer une intensité encore plus faible. Mais vérifiez bien la qualité de votre typon, car il peut y avoir des fuites de courant d'une piste à une autre. L'AIL employé est un quadruple amplificateur TL084. Son impédance d'entrée est de l'ordre du téraohm (1012 W) et les courants de décalage d'entrées de l'ordre du nano ampère.
Pour mesurer les valeurs précises des intensités débitées,
un ampèremètre suffit pour la sortie 1 mA. pour l'autre,
le plus simple est de choisir une résistance de
Les meilleurs résultats (incertitude de l'ordre de 1 %) sont
obtenus avec des condensateurs de 1 micro farad, de type polyester milfeuil
: Branchez le condensateur placé sur son support, sur le générateur,
faites court circuit entre ses bornes à l'aide d'un fil électrique,
et à l'instant zéro, supprimez le court circuit. relevez
la tension à différentes dates. Le tracé est rigoureusement
linéaire de - 13 V à + 13 V, pour une alimentation -15, +15
V. Vous pouvez même retourner le condensateur, pour observer une
décharge, mais il faut prendre garde à ne pas le décharger,
en le touchant avec les doigts. Ceci présente l'intérêt
de définir la grandeur physique appelée capacité du
condensateur.
Comparez la valeur de la capacité obtenue avec les résultats donnés par d'autres méthodes (constante de temps, capacimètre). Les valeurs marquées sur ce type de condensateurs sont assez précises.
Ce n'est pas le cas des gros électrochimiques dont les capacités sont données dans une fourchette -10%, +30%. De plus les électrochimiques sont sujets à des phénomènes de polarisation : un court circuit (à éviter, compte tenu des charges mises en jeu) ne les décharge pas complètement (phénomène sensible sur les anciennes alimentations haute tension). Ils sont polarisés, ce qui signifie qu'ils peuvent exploser s'ils sont branchés à l'envers ; succès garanti auprès des élèves !
Évitez aussi les condensateurs céramique, dont la capacité varie fortement avec la température (cela peut se vérifier, avec un capacimètre, en chauffant le condensateur entre les doigts).
Les condensateurs tantale goutte sont polarisés.
Remarque : Nous vous proposons quelques idées. Cela
ne vous dispense pas d'adopter toute mesure de sécurité nécessaire
pour vous et vos élèves (ne pas ouvrir un appareil sous tension,
s'assurer de la décharge des condensateurs, ne pas démonter
une alimentation d'ordinateur).
Les pannes les plus fréquentes, sur les alimentations continues
stabilisées constantes du commerce, sont dues à une destruction
du pont de diodes de redressement. Cela vaut la peine de tenter le remplacement
de ce pont, sans même trop chercher à savoir si c'est lui
qui est en cause (une panne de ce pont peut se traduire par des tensions
bizarres aux bornes des éléments qui suivent, et donc à
une interprétation difficile). Après quand même avoir
vérifié l'état du fusible et observé une basse
tension alternative en sortie du transformateur ! Les autres pannes sont
bien plus difficiles à trouver car les schémas sont complexes.
Vérifiez tout de même s'il n'y a pas de fil coupé,
à la suite d'un choc ou d'une malveillance.
Nous partons d'alimentations pour ordinateurs. Il est possible d'en
trouver à très bas prix (déclassées parce qu'insuffisamment
puissantes pour les ordinateurs actuels) fournissant 150 W. Elles proposent
du -12V, -5V, +5V, +12V.
Il est raisonnable de limiter les intensités proposées
en sortie, car elles peuvent fournir de fortes intensités. Le +5V
peut débiter 15 A. Une erreur de branchement et c'est la garantie
d'un composant qui part en fumée.
Les limiteurs les plus intéressants sont les Polyswitch de Raychem,
fabriqués à partir de polymères conducteurs. Si votre
fournisseur de composants électroniques n'en a pas, vous en trouverez
chez Selectronic, B.P. 513 - 59022
Lille Cedex. La référence RXE 020 par exemple, a un courant
de maintien IH de 0,2 A (le polyswitch ne bascule jamais à
cette intensité), un courant IT de basculement de 0,4
A (à cette intensité, la résistance du polyswitch
devient énorme, il joue le rôle d'un fusible). Dès
que la température du polyswitch diminue, il redevient conducteur.
C'est donc un fusible qui se réarme automatiquement, juste le temps
pour vous de faire remarquer à l'élève son erreur
de branchement. Coût 11 francs pièce. Seul inconvénient,
une résistance à froid non négligeable, 2,8 W
ici. Le générateur de tension n'est donc plus idéal.
A réserver aux montages à risque destinés par exemple
aux élèves. C'est bien connu, il n'y a qu'eux pour faire
des courts-circuits.
Pour des intensités de maintien plus importantes, la résistance
du polyswitch est plus faible, 0,03 W pour 5
ampères.
Les alimentations que vous trouverez seront de types variés. Les plus pratiques sont celles qui comportent un interrupteur sur une face. D'autres sont livrées avec un interrupteur déporté. Notez que certaines (pour cause d'économie d'énergie) refusent de démarrer si la carte portant le microprocesseur ne leur est pas raccordée (les autres accessoires importent peu). J'ai trouvé (9 Novembre 2001) comment se transmet cette information : un appel de courant pour simuler la présence d'une carte. Concrètement, si l'alimentation est mise en service à vide, elle ne délivre aucune tension. Au mieux, on peut observer une brève rotation du ventilateur. Si l'alimentation 5 V débite plus de 50 mA, elle démarre. Si elle se retrouve à vide un instant, elle se bloque et il faudra supprimer un moment l'alimentation secteur pour qu'elle puisse repartir. Une résistance d'environ 100 W (de taille suffisante pour dissiper les calories), branchée entre le + 5 V et la masse permettra un fonctionnement permanent de l'alimentation.
Une tension variant entre -12V et + 12V peut être obtenue par emploi d'un potentiomètre de 10000 W. Cette tension ne sera pas stabilisée, mais pourra permettre bien des expériences de travaux pratiques.
