Matière à réflexion – Expérience à faire à la maison

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Le CD-Spectroscope

Le CD-spectroscope est un appareil simple à fabriquer qui te permettra de voir toutes les couleurs qui composent les différentes sources de lumière (fluorescent, ampoule incandescente, etc.) Utilise-le pour impressionner ta famille et tes amis en leur faisant un spectacle scientifique!

Mais attention, ne regarde pas le Soleil avec ton CD-spectroscope ! Cela serait dangereux pour tes yeux !

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Télécharger le guide de coupe.

Ce dont tu auras besoin

  • Un disque compact (CD)
  • Un tube de rouleau essuie-tout
  • Du carton noir
  • Un crayon
  • Du ruban adhésif
  • Un couteau à lame rétractable (Demande à tes parents la permission d’utiliser cet outil.)
  • Un accès à un ordinateur et à une imprimante pour obtenir le guide de coupe
  • Un accès à une source de lumière
  • Un crayon-feutre

Fabrication

  • Imprime le guide de coupe. Il est adapté à la taille d’un tube de rouleau essuie-tout. Tu peux ajuster les dimensions de ton impression si tu utilises une autre taille de rouleau.
  • Découpe le guide de coupe et enroule-le autour du tube de rouleau essuie-tout à l’une de ses extrémités. Assure-toi de respecter le sens indiqué sur le guide de coupe. Fixe-le temporairement à ton rouleau à l’aide d’un morceau de ruban adhésif.
  • À l’aide d’un couteau à lame rétractable, découpe une fente et une ouverture rectangulaire dans le tube de rouleau essuie-tout en suivant le guide de coupe. Tu peux retirer le guide de coupe après cette étape. (Si nécessaire, demande à tes parents de t’aider à faire cette étape.)
  • Fabrique deux couvercles avec le carton noir. Ils serviront à fermer les extrémités du tube de rouleau essuie-tout. Pour cela, tu peux faire deux cercles de la même dimension que le tube en traçant le pourtour de celui-ci sur ton carton et en les découpant de manière à te garder un rebord qui t’aidera à les fixer. Garde les couvercles en réserve.
  • Avec le couteau à lame rétractable, découpe une fente bien droite dans un des couvercles. Elle doit être d’une largeur maximale de 1 mm, avoir des bords bien réguliers et une longueur un peu plus petite que le diamètre du couvercle.
  • Pour fixer le couvercle fendu, place ton tube essuie-tout sur ta table de travail en orientant l’ouverture rectangulaire vers le haut. Ensuite, avec du ruban adhésif, colle le couvercle à l’extrémité du tube opposée à l’ouverture rectangulaire. Assure-toi que la fente est orientée à l’horizontale. Installe finalement l’autre couvercle pour fermer ton tube.
  • Insère le disque compact (CD) dans la fente que tu as découpée dans le tube de rouleau essuie-tout en plaçant le côté réfléchissant du CD vers le couvercle fendu. Tu peux le fixer à l’aide du ruban adhésif si tu le souhaites.
  • Voilà, tu as terminé! Tu peux maintenant utiliser ton CD-spectroscope et montrer ton expérience à toute ta famille et à tes amis.

Vidéo réalisé par Danick Lamoureux

Expérimente avec le CD-Spectroscope

  • Dirige la fente que tu as découpée dans l’un des couvercles vers une source de lumière. Attention, ne vise pas le Soleil avec ton CD-spectroscope ! Cela serait dangereux pour tes yeux !
  • Regarde par l’ouverture rectangulaire que tu as découpée dans le tube de rouleau essuie-tout. Tu devrais voir, sur le CD, des raies bien claires de différentes couleurs qui sont celles qui composent la source de lumière que tu vises.
  • Essaie avec différents types de sources lumineuses (fluorescent, ampoule incandescente, diode électroluminescente DEL, etc.) et tu verras que la lumière qu’elles émettent n’a pas la même composition

Quelques explications

La lumière blanche qui est émise par une ampoule, un néon ou par le Soleil peut être décomposée en différentes couleurs par un prisme. C’est d’ailleurs l’effet que l’on constate lorsqu’on observe un arc-en-ciel. Ce phénomène s’explique par le fait que la lumière blanche est une onde électromagnétique composée de différentes longueurs d’onde, perçues par nos yeux comme des couleurs différentes. Lorsqu’elles traversent un prisme, ces différentes longueurs d’onde sont déviées à des angles différents (figure 5). Un disque compact (CD) arrive aussi à séparer la lumière blanche. Le CD est fabriqué avec un miroir sur lequel des sillons très étroits faits d’obstacles et de trous sont gravés en alternance, comme le montre la figure 6. Plusieurs sillons parallèles sont ainsi gravés très près les uns des autres. Lorsque la lumière frappe le CD, les trous et obstacles vont réfléchir la lumière d’une façon bien particulière en séparant les différentes longueurs d’onde qui la compose, un peu à la manière d’un prisme. On dit que le CD agit alors comme un réseau de diffraction. Chacune des couleurs est réfléchie avec un angle différent (figure 7). On peut donc observer les raies lumineuses de chaque couleur qui sont séparées les unes des autres.

Un peu d’histoire

Saviez-vous que notre Soleil est composé à environ 73% d’hydrogène et 25% d’hélium? On y retrouve aussi, en plus faible quantité, certains éléments comme l’oxygène, le carbone et le fer. Vous êtes-vous déjà posé la question à savoir comment il a été possible de déterminer la composition du Soleil? Personne ne s’est rendu sur notre étoile pour en ramener une pelletée à analyser sur Terre! En fait, si l’on sait aujourd’hui de quelle matière est formé le Soleil, c’est en grande partie grâce aux idées de Joseph Von Fraunhofer, un artisan du verre qui, aux premiers abords, ne semblait pas destiné à une carrière scientifique.

Fraunhofer, est né en 1787 en Bavière. Sa famille œuvrait dans la fabrication du verre depuis des générations. À onze ans, suite à la mort de ses parents, on l’envoie comme apprenti de Philipp Anton Weichselberger, un fabricant renommé de miroirs. À première vue, cette position d’apprenti semble idéale pour lui permettre de s’accomplir dans le domaine du verre. Toutefois, son nouveau maître est une personne très dure et demande un travail exigeant qui n’offre que peu d’occasions d’en apprendre réellement sur le métier. On dit même que Weichselberger refusait de fournir une lampe au jeune Fraunhofer qui en aurait eu besoin pour satisfaire sa grande curiosité en lisant des livres de sciences.

La vie de Fraunhofer va changer radicalement lors d’un nouvel événement tragique qui aurait pu lui coûter la vie. L’atelier dans lequel il travaille s’effondre pendant que Fraunhofer se trouve à l’intérieur. Il faudra plusieurs heures pour l’extirper des décombres. Le prince Maximilien IV assiste au sauvetage du jeune Fraunhofer et décide de le prendre à sa charge et de l’héberger. Fraunhofer peut alors suivre une formation de premier ordre comme opticien et se développe jusqu’à devenir l’un des plus grands experts de son époque dans le domaine du verre.

Il fait une découverte importante lorsqu’il observe la lumière émise par une flamme d’alcool et de soufre à travers un prisme. Il observe alors une frange lumineuse bien définie de couleur orange. Il décide alors d’investiguer le phénomène en utilisant d’autres sources de lumière. Il élabore aussi un dispositif qui permet d’observer la lumière du Soleil en la faisant traverser une mince ouverture et un prisme. Le spectre lumineux du Soleil ainsi obtenu est ensuite analysé à l’aide d’une lunette qui permet d’en observer les fins détails. Fraunhofer remarque alors des franges sombres à des endroits précis du spectre du Soleil. Plus tard, il suggérera que ces lignes, qui se retrouvent dans les mêmes zones du spectre que les raies émises par différentes substances connues, pouvaient nous renseigner sur la composition du Soleil. Cette hypothèse sera confirmée quelques années plus tard par le physicien Gustav Kirchhoff et le chimiste Robert Bunsen. Fraunhofer venait de découvrir, caché dans la lumière, une façon de déterminer la composition chimique d’une étoile que l’on nomme aujourd’hui la spectroscopie. À l’aide de cette technique essentielle pour l’astrophysique, les scientifiques déterminent aujourd’hui, non seulement la composition des étoiles dans l’Univers, mais aussi leur vitesse, leur taille et leur température.

Pour aller plus loin

Pour observer la lumière du Soleil, au lieu de diriger ton CD-spectroscope vers celui-ci, pointe-le vers un nuage blanc ou vers une feuille de papier blanc que tu as sortie à l’extérieur. La lumière du Soleil sera réfléchie sur le nuage ou la feuille avant de pénétrer dans ton CD-spectroscope et tes yeux seront en sécurité.

Pour une meilleure qualité de CD-spectroscope, tu peux aussi utiliser un tube plus gros comme un tube conçu pour le transport d’affiches. Pour un tube d’un diamètre d’environ 7,6 cm (3 po), tu peux couper le tube pour lui donner une longueur d’environ 45 cm (18 po).

Références

CD-Spectroscope – Science Snacks

[https://www.exploratorium.edu/snacks/cd-spectroscope]

Le montage présenté dans cette fiche a été largement inspiré du contenu créé par le musée Exploratoriumde San-Francisco. Vous pourrez donc retrouver à l’adresse ci-dessus quelques informations supplémentaires à propos de la fabrication du montage. Le site web de l’Exploratorium Teacher Institute est une ressource importante pour l’enseignement et la médiation scientifique et contient un grand nombre d’activités à explorer.