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1° S - LEXIQUE DE PHYSIQUE

 

l Base de Frenet :

Cette base est constituée de deux vecteurs unitaires et .

Le vecteur unitaire est tangent à la trajectoire, au point M où se trouve le mobile ponctuel. Ce vecteur est orienté arbitrairement (pas nécessairement dans le sens du mouvement)

Le vecteur unitaire est normal à la trajectoire. Il est orienté vers l'intérieur de la courbe

 

l Bobines de Helmholtz : ce sont deux bobines "plates", identiques, circulaires et coaxiales. Elles sont séparées par une distance D égale à leur rayon R. Dans une région voisine du centre du dispositif le champ magnétique est :

- quasi uniforme.

- dirigé suivant l'axe commun aux deux bobines

- de sens donné par la règle de la main droite.

 

l Géocentrique : qui prend la Terre pour centre. Le préfixe géo est tiré du grec , terre.

Le référentiel géocentrique est formé par le centre de la terre et par les centres de 3 étoiles lointaines. Les quatre points étant nécessairement non coplanaires.

Dans ce référentiel Paris décrit un cercle.

 

l Héliocentrique : qui prend le Soleil pour centre. Le préfixe hélio est tiré du grec Hélios, Dieu grec du Soleil.

 Le référentiel héliocentrique est formé par le centre du Soleil terre et par les centres de 3 étoiles lointaines. Les quatre points étant nécessairement non coplanaires.

 

l Jour sidéral : c'est la durée qui s'écoule entre deux passages consécutifs d'une étoile éloignée dans le plan méridien d'un lieu, soit 23 h 56 min. Rappelons que la durée du jour solaire moyen est, elle, de 24 heures. Le jour solaire est la durée qui s'écoule entre deux passages consécutifs du soleil dans le plan méridien d'un lieu (sa valeur varie au cours de l'année, ce qui amène à parler du jour solaire moyen).

 

l Référentiel : Un référentiel est un solide. Il est déterminé par la donnée de quatre points non coplanaires. On prend souvent un solide très concret comme une table d'expériences (référentiel du laboratoire). On peut également être amené à prendre un "solide" moins concret; c'est ce que l'on fait en particulier quand on choisit le référentiel de Copernic, "solide" construit à partir du centre du système solaire et de trois étoiles.

 

l Référentiel Galiléen : C'est un référentiel par rapport auquel le Principe de l'inertie est vérifié.

Principe de l’inertie : Dans un référentiel Galiléen, si la somme des forces extérieures appliquées à un système est nulle alors le centre d’inertie de ce système est, soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme.

La réciproque du Principe de l'inertie est vraie : Si, dans un référentiel Galiléen, le centre d’inertie d'un système est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme, alors la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à ce système est nulle.

 

· Spectres et couleurs

a- Spectre d'émission continu d'une lampe à incandescence

La lumière blanche émise par le soleil ou par une lampe à incandescence peut être analysée par un prisme ou par un réseau.

Sur l'écran on observe un spectre continu. Dans le domaine visible, ce spectre s'étale du violet (longueur d'onde l v= 400 nm) jusqu'au rouge (longueur d'onde l r= 800 nm) :

b- Le spectre électromagnétique

En fait, le spectre de la lumière visible fait partie du spectre électromagnétique beaucoup plus vaste s'étendant du rayonnement gamma (longueur d'onde pouvant descendre en dessous 10 - 13 m ) jusqu'au rayonnement hertzien (longueur d'onde pouvant dépasser 10 4 m ).

L'œil humain n'est donc sensible qu'à un tout petit domaine des ondes électromagnétiques. L'homme, cependant, utilise de nombreuses sources de radiation non visibles. Les rayons gamma permettent de traiter certaines tumeurs. Les rayons X sont utilisées en radiographie (squelette osseux, dentition, bagages). La radio, le radar et la télévision émettent des ondes hertziennes. Le soleil nous réchauffe avec les radiations infrarouge et nous fait bronzer avec le rayonnement ultraviolet. Les micro-ondes font fonctionner les téléphones cellulaires et les fours à micro-ondes.

c- Spectre de raies d'émission :

Si on remplace la lampe à incandescence par une lampe à vapeur de mercure le prisme donne alors, non pas un spectre continu, mais un spectre de raies :

Comparaison des spectres de raies d'émission et d'absorption

Par exemple, si sur le trajet du faisceau de lumière blanche on place une lampe contenant de la vapeur de mercure, alors on observe, sur l'écran, le spectre suivant :

Les raies noires correspondent aux radiations absorbées. Les radiations absentes du spectre d'absorption sont les mêmes que celles qui sont présentes dans le spectre d'émission.

d- Spectre d'absorption d'une espèce en solution

Une espèce en solution, éclairée par de la lumière blanche, est susceptible d'absorbée, au moins en partie, l'énergie correspondant à certaines radiations. La lumière transmise ne sera plus blanche mais colorée. On peut l'analyser avec un prisme, le spectre obtenu est un spectre d'absorption.

- Plaçons dans le montage déjà utilisé une cuve en verre transparent contenant une solution aqueuse de béta-carotène.

Avec le béta-carotène le spectre présente une bande d'absorption vers les courtes longueurs d'onde :

 

On observe que les radiations violettes, bleues et une partie des radiations vertes (bande d'absorption comprise entre 400 et 500 nm) sont presque totalement absorbées par la solution de béta-carotène. Cette solution a donc la couleur orange de la carotte. Cette couleur de la solution, observée par transmission, résulte de la superposition sur la rétine de l'œil humain des radiations non absorbées (longueurs d'onde comprises entre 500 et 800 nm).

Autres exemples :

- Une solution de permanganate de potassium est magenta. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans l'orange, le jaune et le vert. La superposition des couleurs rouge et bleue transmises donne la sensation de magenta.

- Une solution de dichromate de potassium est jaune-orangé. On constate dans le spectre des bandes noires d'absorption dans le violet, le bleu et une partie du vert. La superposition des couleurs transmises rouge, jaune et un peu de vert donne cette teinte orangée.

- Si toute les radiations du domaine visible sont totalement absorbées alors la solution est noire.

- Si toute les radiations du domaine visible sont transmises alors la solution est transparente.

- L'eau pure est un liquide transparent.

e- Couleur des solides

- Si, exposé à la lumière solaire, un corps solide S1 diffuse et réfléchit toutes les radiations du spectre visible, alors il apparaîtra blanc.

- Si, exposé à la lumière solaire, un corps solide S2 absorbe toutes les radiations sauf les radiations rouge et vertes, il apparaîtra jaune à L'œil humain.

Question : Quelles seront les couleurs des solides S1 et S2 ci-dessus lorsqu'on les éclaire avec un faisceau de lumière issue d'un laser He-Ne. Ce laser émet plusieurs radiations dont une seule (l = 633 nm) appartient au domaine visible. Avant d'être éclairés par le laser, les solides étaient dans l'obscurité.

 
l Spectrophotomètre

Un spectrophotomètre comprend :

- une source lumineuse polychromatique (lumière blanche émise par une lampe à filament de tungstène).

- un monochromateur permettant de sélectionner une longueur d'onde l à partir de la lumière blanche. Il est formé d'un réseau qui disperse la lumière blanche. La sélection se fait à l'aide d'une fente.

- une cuve contenant un échantillon de solution de l'espèce colorée que l'on étudie.

- une cellule photoélectrique qui fournit un courant électrique proportionnel au nombre de photons qu'elle reçoit.

- un détecteur électronique dont la réponse est proportionnelle à ce courant électrique et permet une mesure relative de l'intensité lumineuse. L'affichage la donne soit en transmittance Tl = I / Io, soit en absorbance Al avec Al = log (Io / I).

Remarque : un réglage préalable du blanc permet de mesurer l'absorbance de l'espèce colorée en solution pour la longueur d'onde l : AB ( l ) = log ( Isolvant / Isolution ).

Compléments : Les grandeurs physique de l'absorptiométrie et la loi de Beer-Lambert

- Les grandeurs physiques de l'absorptiométrie

Considérons un faisceau monochromatique de lumière, d'intensité lumineuse Io, de longueur d'onde l, incident sur une cuve transparente contenant une solution colorée :

Une partie de l'intensité Io du faisceau incident est réfléchie, une partie est diffusée, une partie est absorbée et une dernière partie I est transmise et mesurée par le récepteur.

La transmittance de l'ensemble cuve-solution peut être définie par le rapport T = I / Io .

Le but de l'absorptiométrie est de déterminer la concentration d'une espèce colorée, B contenue dans une solution ; les diverses contributions de la cuve et du solvant à l'atténuation du faisceau lumineux incident n'ont aucun lien avec la concentration de la solution colorée. Pour s'affranchir de ces contributions, on travaille par comparaison du comportement de la cuve remplie de solution colorée à celui d'une cuve identique remplie de solvant et des espèces non dosées (appelée " blanc ").

Les définitions recommandées sont les suivantes :

Transmittance de la solution :

TSolution = Isolution / Io

Transmittance du solvant :

TSolvant = Isolvant / Io

Transmittance de l'espèce colorée B :

TB = Isolution / Isolvant

TB = TSolution / TSolvant

Absorbance de l'espèce colorée B :

AB = log 1 / TB = log Isolvant / Isolution

- La loi de Beer-Lambert

L'absorptiométrie repose sur deux relations fondamentales établies à partir du XVIIIème siècle.

- La première, historiquement, est la relation de Bouguer ou relation de Lambert. Cette relation établit qu'un faisceau incident monochromatique, d'intensité Io, pénétrant sous incidence normale dans un milieu absorbant, subit après un parcours de longueur L une atténuation et en ressort avec une intensité I telle que log Io / I = k.L

- La deuxième relation est la relation de Beer : elle établit que l'intensité lumineuse d'un faisceau monochromatique, traversant une solution de concentration molaire effective [B] en espèce absorbante B, décroît exponentiellement en fonction de la concentration : log Io / I = k '. [B] . Le coefficient k ' dépend de l'épaisseur de la solution, de la nature du solvant, du soluté, de la température et de la longueur d'onde.

La combinaison de ces deux lois conduit à la loi de Beer-Lambert qui, appliquée à une solution d'épaisseur L, contenant une espèce colorée B de concentration molaire effective [B], dans un solvant, s'écrit :

AB( l) = log (Isolvant / Isolution) = e(l).L.[B]

· Isolvant et Isolution sont les intensités lumineuses transmises par la cuve de solvant d'une part et la cuve de solution contenant l'espèce colorée d'autre part, pour des flux incidents égaux et des caractéristiques de cuves identiques).

· L est l'épaisseur de la solution en m (les chimistes emploient plutôt le cm).

· [B] est la concentration molaire effective de l'espèce B en mol / L.

· e(l) est le coefficient d'absorption molaire en L.mol - 1.m - 1 (ou en L.mol - 1.cm - 1). Il dépend de la nature du soluté et du solvant, de la température et de la longueur d'onde.