Dans ce TP sur la lumière et les photons, tu vas estimer la constante de Planck avec quatre diodes électroluminescentes de couleurs différentes. Question guide : peut-on retrouver, avec un simple voltmètre, la valeur de l’énergie d’un photon de chaque couleur ?
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Objectif du TP sur la lumière et les photons
Mesurer la tension de seuil Us de plusieurs DEL, relier l’énergie e × Us à celle du photon émis h c ÷ λ, tracer Us en fonction de 1 ÷ λ et en déduire une valeur de la constante de Planck h.
Matériel
- Quatre DEL de couleurs différentes (rouge, orange, verte, bleue) dont la longueur d’onde d’émission λ est donnée par le constructeur.
- Une résistance de protection de 330 Ω.
- Une alimentation continue réglable de 0 à 5 V (ou un potentiomètre alimenté par une pile).
- Un voltmètre numérique et des fils.
- Un tube noir (ou un carton roulé) pour observer la DEL à l’abri de la lumière ambiante.
- Un tableau de longueurs d’onde fourni par l’enseignant : rouge 635 nm, orange 590 nm, vert 525 nm, bleu 465 nm.
Sécurité
Place toujours la résistance de 330 Ω en série avec la DEL pour limiter le courant. Ne dépasse pas 5 V. Respecte le sens de branchement (patte la plus longue vers le +). Ne regarde pas une DEL bleue de près en pleine puissance : observe-la à travers le tube et à faible éclairage.
Protocole
- Réalise le montage : alimentation, résistance de 330 Ω et DEL rouge en série ; voltmètre branché aux bornes de la DEL seule.
- Place-toi dans une pièce peu éclairée et mets l’alimentation à 0 V.
- Augmente lentement la tension jusqu’à ce que la DEL commence à briller de façon à peine visible dans le tube : c’est la tension de seuil Us.
- Lis Us au voltmètre (au centième de volt) ; recommence deux fois et prends la moyenne.
- Remplace la DEL rouge par l’orange, la verte puis la bleue, en repartant chaque fois de 0 V.
- Complète le tableau avec Us, 1 ÷ λ (en µm−1) et l’énergie du photon.
- Trace Us en fonction de 1 ÷ λ et trace la droite moyenne passant par l’origine.
- Détermine son coefficient directeur et déduis h.
Mesures à relever
| DEL | λ (nm) | Us (V) | 1 ÷ λ (µm−1) | h = e Us λ ÷ c (J·s) |
|---|---|---|---|---|
| Rouge | 635 | |||
| Orange | 590 | |||
| Verte | 525 | |||
| Bleue | 465 |
Questions
1. Que se passe-t-il à la tension de seuil ? Quelle est l’énergie e × Us acquise par un électron qui traverse la DEL ?
2. Justifie que e Us est voisine de l’énergie du photon émis, E = h c ÷ λ.
3. Complète le tableau : calcule 1 ÷ λ (en µm−1) puis h pour chaque DEL, avec e = 1,60 × 10−19 C et c = 3,00 × 108 m/s.
4. Trace Us en fonction de 1 ÷ λ. Quelle est la nature de la courbe ? Que peux-tu conclure ?
5. Détermine le coefficient directeur k de la droite et exprime-le en fonction de h, c et e. Déduis une valeur de h.
6. Compare ta valeur de h à la valeur tabulée 6,63 × 10−34 J·s (écart relatif).
7. Pourquoi une DEL bleue exige-t-elle une tension de seuil plus élevée qu’une DEL rouge ?
8. Pourquoi cette mesure de Us à l’œil est-elle peu précise ? Propose une amélioration.
Pour aller plus loin
- Remplace la DEL bleue par une DEL infrarouge (avec une caméra de smartphone pour voir qu’elle s’allume) et prévois sa tension de seuil à partir de sa longueur d’onde (950 nm).
- Mesure la tension de seuil à l’aide d’un ampèremètre en cherchant la tension à laquelle le courant devient supérieur à 0,1 mA.
