Les LED rouges s’allument sous une tension plus faible que les LED bleues. Pourquoi ? Dans ce TP sur les photons et les niveaux d’énergie, tu vas relier la tension de seuil de LED de couleurs différentes à l’énergie des photons qu’elles émettent, puis estimer la constante de Planck h.
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Objectif du TP sur les photons et les niveaux d’énergie
Mesurer la tension de seuil Us de plusieurs LED, la relier à la longueur d’onde λ de la lumière émise par la relation e Us ≈ h c ÷ λ, tracer Us en fonction de 1 ÷ λ et en déduire la constante de Planck.
Matériel
- Une alimentation continue réglable de 0 à 6 V
- Une résistance de protection de 470 Ω
- Cinq LED : rouge, orange-jaune, verte, bleue et violette, avec leurs longueurs d’onde indiquées sur la notice (630 nm, 590 nm, 525 nm, 470 nm, 405 nm)
- Un multimètre utilisé en voltmètre continu
- Des fils de connexion et une plaque de montage
- Un tube ou un carton noir pour masquer la lumière ambiante
- Une calculatrice ou un tableur
Sécurité
Garde toujours la résistance de protection en série avec la LED et ne dépasse jamais 6 V : une LED sans résistance peut griller. Ne regarde pas de près la LED violette allumée (elle émet près de l’ultraviolet). Éteins l’alimentation avant de modifier le montage.
Protocole
- Réalise le montage : alimentation, résistance de 470 Ω et première LED en série (la patte la plus longue, l’anode, côté borne positive).
- Place le voltmètre en dérivation aux bornes de la LED seule (pas aux bornes de la résistance).
- Mets l’alimentation à 0 V et place le tube noir autour de la LED pour limiter la lumière ambiante.
- Augmente la tension de l’alimentation très lentement jusqu’à voir apparaître une faible lueur.
- Note alors la tension Us lue sur le voltmètre aux bornes de la LED.
- Redescends à 0 V puis recommence deux fois pour la même LED afin de juger la reproductibilité.
- Répète l’opération avec chacune des quatre autres LED en notant leur longueur d’onde.
- Calcule pour chaque LED 1 ÷ λ en m−1.
Mesures à relever
| LED | λ (nm) | 1 ÷ λ (106 m−1) | Us (V) | E = e Us (10−19 J) |
|---|---|---|---|---|
| Rouge | 630 | … | … | … |
| Orange-jaune | 590 | … | … | … |
| Verte | 525 | … | … | … |
| Bleue | 470 | … | … | … |
| Violette | 405 | … | … | … |
Questions
- Pourquoi branche-t-on une résistance en série avec la LED ?
- Quelle LED s’allume pour la plus petite tension ? la plus grande ? Relie ce résultat à la couleur.
- On admet que le photon émis a une énergie Ephoton = e Us (e = 1,602 × 10−19 C). Complète la dernière colonne.
- Montre que, d’après E = h c ÷ λ, Us doit être proportionnelle à 1 ÷ λ. Quel est le coefficient de proportionnalité ?
- Trace Us en fonction de 1 ÷ λ. Quelle est la nature de la courbe ? Détermine son coefficient directeur.
- Déduis-en la constante de Planck h = e × (coefficient directeur) ÷ c, avec c = 3,00 × 108 m/s. Compare à 6,63 × 10−34 J·s en calculant l’écart relatif.
- Pourquoi la détermination de la tension de seuil est-elle imprécise ? Propose une amélioration.
Pour aller plus loin
- Mesure la longueur d’onde de la LED avec un spectroscope et compare avec la valeur de la notice.
- Étudie une LED blanche : que peux-tu dire de son spectre et de sa tension de seuil ?
