TP de Physique Générale n 3 - Présentation du département de
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1. est bien le cas prenez une s rie de points en partant de U 30V Sinon augmentez un peu la tension continue de contr le U1 afin de r g n rer la cathode e Vous pouvez aussi tracer directement l aide de la table tra ante XY la tension de sortie de l amplificateur de courant en fonction de U3 e D duire de vos mesures l nergie d excitation du niveau 6 P du mercure ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 7 Agr gation de Sciences Physiques TP de physique g n rale 18 mai 2000 Liste du mat riel n cessaire e Lampe de BALMER la lampe de BALMER son alim le FABRY P ROT Sopra chariotable 1 lampe Na Alim 1 condenseur 1 filtre interf rentiel rouge 650 nm la cam ra N B zoom moniteur e Exp rience de HALBWACHS et Effet photo lectrique Exp rience historique 1 plaque de Zinc papier de verre pour le d capage 1 lectroscope sur lequel est fix la plaque de Zinc 1 plaque de verre pour faire cran l insolation UV peau de chat et n ton d bonite chiffon et b ton de verre Exp rience historique la cellule photo lectrique Pasco ses 2 filtres jaune et vert le r seau 600 traits mm la lampe Hg HP OSRAM avec verre au Quartz Alim 1 condenseur 1 fente r glable 1 multim tre digital 1 doublet f 100 mm 2 crans de projection servant de cache ENS Cachan2. l aide d une cellule contenant du mercure Celle ci est chauf f e jusqu 180 C vaporisant ainsi le mercure dans l enceinte une pression d environ 25 mbar l aide d une cathode C chauff e par un courant alternatif on g n re des lectrons qui sont ensuite acc l r s entre les grilles g et g2 par une tension U3 puis ralentis par une contre tension U3 On mesure alors un courant extr mement faible de l ordre du nA l aide d un amplificateur de courant de tr s haut gain Lorsque les lectrons acc l r s poss dent une nergie cin tiques suffisante pour exciter le premier niveau d nergie des atomes de la vapeur de mercure il c de cette nergie aux atomes et ne parviennent plus jusqu l anode Le courant mesur pr sente alors un minimum local Cette effet r appara t de nouveau pour toute nergie d acc l ration multiple de l nergie d excitation un m me lectron pouvant alors cons cutivement exciter deux atomes de mercure sur son parcours avant d atteindre l anode Manipulations Vous disposez d un bo tier qui fourni toutes les alimentations n cessaires au tube et d un amplificateur de courant tr s haut gain 10 V A R f rez vous scrupuleusement la notice maison pour r aliser les connec tions et mettre en marche l exp rience e V rifier grossi rement en variant la tension d acc l ration U gt que vous observez des minima et maxima Si c
3. onde est alors donn par p 2e e R glez et calibrez le d placement du miroir mobile du FABRY P ROT l aide de la lampe au sodium sachant que la s paration du doublet jaune vaut 0 59 nm et que sa longueur d onde moyenne est 589 3 nm e Placer un filtre interf rentiel 650 nm devant la lampe de BALMER Rep rer deux antico ncidences pour les raies de l hydrog ne et du deut rium En d duire la s paration isotopique et le rapport Mp ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 2 Poste n 5 Effet Photo lectrique mesure de e h Historique L effet photo lectrique est l effet par lequel la lumi re peut arracher des lectrons la surface d un m tal Avant m me la d couverte de l lectron W HALBWACHS en 1886 alors tudiant de H HERTZ avait observ qu une plaque de zinc isol e clair e par un rayonnement UV se charge positivement et qu inversement une plaque de zinc initialement charg e n gativement se d charge par insolation UV m me lorsqu elle est plac e dans un vide pouss e Suite la d couverte de l lectron par J J THOMSON en 1899 P LENNARD la m me ann e sugg re que les observations de HERTZ et HALBWACHS correspondent l mission d lectrons par la surface du m tal clair e appel e cathode En utilisant diff rentes ten sions de polarisation de la cathode LENNARD d couvre les lois fondamentales de l effet photo lect
4. Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 8 e Exp rience de MILLIKAN Le dispositif Eurosap 1 lampe quartz iode 1 g n rateur de HT 1 cam ra couleur Flexcam cran de TV 1 multim tre num rique 1 chronom tre e Exp rience de FRANCK et HERTZ Un tube de FRANCK et HERTZ sa douille Le boitier d alimentation du tube Le four L alimentation r gul e du four Le thermocouple pouvant supporter 1100 C et un lecteur L amplificateur de courant haut gain Un multim tre num rique La table tra ante X Y muni d un stylo
5. devez observer dans l ordre 1 5 raies bien s par es dont un doublet jaune et une raie UV n apparaissant que par fluorescence Reportez vous la Table 1 pour les longueurs d onde de ces raies e Placer la cellule devant l une des raies en s assurant que l image de la fente tombe bien sur la cathode faire pivoter le tube d crantage et optimiser sa position en maximisant la tension d arr t lue avec le voltm tre digital Pour les raies jaune et verte vous n omettrez pas les filtres qui liminent les ordres sup rieurs du r seau dans VUV e Mesurer le potentiel d arr t pour chaque longueur d onde En d duire le rapport e h Quelle est la pr cision de votre mesure El ment Longueur d onde nm Couleur Intensit Mercure Hg 365 02 ultraviolet forte 404 66 violet faible 435 83 indigo violet forte 546 07 vert forte 576 96 jaune forte 579 07 jaune forte Table 1 Longueurs d onde des principales raies du mercure ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 4 Poste n 6 Exp rience de MILLIKAN Historique L exp rience que r alisa en 1910 1911 MILLIKAN alors professeur l Universit de Chicago contribua imposer l id e que toute corpuscule charg e porte un nombre entier de charges l mentaires e Elle permit aussi de r aliser la premi re mesure de cette charge l men taire charge de l lectron Dans l exp rience de MILLIKAN le corpu
6. ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 1 TP DE PHYSIQUE G N RALE N 3 lectronique et constantes fondamentales suite Fr d ric MOULIN et Fran ois TREUSSART m Poste n 4 bis Lampe de BALMER mesure du rapport m P Cette mesure repose sur la mesure du d calage isotopique Vous disposez pour cela d une lampe Hydrog ne Deut rium 10 de marque Leybold Rappels th oriques Dans le mod le de BOHR de l atome les niveaux d nergie de l atome d hydrog ne sont donn s par E Ru he 1 n2 o Ry repr sente la constante de RYDBERG donn e par 4 Une 2 8coh3c avec Un Masse r duite du syst me deux corps lectron noyau proton pour l hydrog ne On voit imm diatement sur la relation 2 que les niveaux d nergie d un isotope de l hydrog ne seront d cal s par rapport ceux de l hydrog ne dans le rapport des masses un _ tm my y me Um U m 2m 2m r duites c est dire pour le deut rium dans le rapport Manipulations Vous disposez d un FABRY P ROT pour l analyse spectrale et d une cam ra en sortie de l interf rom tre qui fait l image l infini Le principe de la mesure du d calage spectrale consiste d terminer la p riodes des antico mcidences entre les deux raies rouges de l hydrog ne et du deut rium Soit e cette p riode de d placement du miroir mobile le d calage relatif en longueur d
7. e de verre entre la lampe et la plaque de zinc la d charge est arr t e e Si la plaque est charg e positivement aucune d charge n est observ e ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 3 Manipulations L exp rience que vous allez r aliser consiste d terminer pour diff rentes longueurs d onde le potentiel d arr t U des photo lectrons Vous disposez d une cellule photo lectrique de marque Pasco de fabrication tr s soign e En effet de nombreux effets parasites peuvent fausser vos mesures parmi lesquels l effet photo lectrique de l anode Pour s affranchir de ce dernier le fabricant a placer un cache d coup en 2 fen tres entre lesquelles se trouve l anode ainsi prot g e de l clairement par ce Masque Ampli suiveur de faible gt courant de polarisation et Le potentiel d arr t r sulte de la charge Anode Cathode d un condensateur par le photocourant Il est mesur la sortie d un amplifica grande imp dance d entr e y k Masqu teur op rationnel de tr s grande imp dance d entr e 1012 Q mont en suiveur qe comme l indique le sch ma ci contre Il est n cessaire pour vos mesures de toujours RAZ U attendre la stabilisation de la tension e l aide du r seau 600 traits mm faites le spectre de raies d une lampe Hg haute pression ampoule de quartz pour laisser passer suffisamment d UV Vous
8. imites que fut r alis e l exp rience Une statistique sur les valeurs recueillies montre que les sauts de charges sont discrets et multiples d une charge l mentaire e masse volumique de l huile pute 800 kg m P P masse volumique de l air pair 3 49 x 10 en kg m pression P temp rature T viscosit dynamique de l air Nair 18 5 x 10 9 kg m s acc l ration de pesanteur g 9 81 m s distance d entre les deux armatures du condensateur 6 mm Table 2 Donn es num riques pour l exp rience de MILLIKAN Manipulations Vous suivrez les instructions en page 3 du manuel d utilisation de l apareil valables pour la m thode statique mais que vous adapterez ais ment la m thode dynamique Un nombre de l ordre de 10 20 mesures est n cessaire pour tre convaincant Vous repr senterez par ailleurs vos r sultats valeurs des charges mesur es ou des sauts de charges sous la forme d un histogramme ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 6 Poste n 7 Exp rience de FRANCK et HERTZ mise en vidence de la quantification des niveaux d nergie atomique et mesure de l nergie d excitation du niveau 6 P du mercure Historique et principe Cette exp rience historique qui valu le prix NOBEL ces auteurs fut l une des premi res exp riences mettre en vidence la quantification des niveaux d nergie atomiques L exp rience est r alis e
9. pens s par la force lectrique STT Pruit a Pair S qE 5 Si l on cesse d appliquer le champ lectrique la goutte reprend sa chute libre soumise la force de frottement fluide et atteind la vitesse limite 2 1 r v 2 Pruile Pair g 6 air Des expressions 4 et 5 on peut d duire la charge de la goutte 1 3 eo 7 1On doit aussi MILLIKAN une mesure de la constante de PLANCK utilisant l effet photo lectrique ENS Cachan Pr paration l Agr gation de Physique 1999 2000 5 3 9 a o la constante K 6r 5 71 V lo FR Pair r f rerez la Table 2 pour en d terminer la valeur exacte d est de l ordre de 2 x 1071 SI vous vous Mesure dite dynamique Cette technique s apparente la pr c dente part qu on ne cherche pas immobiliser la goutte en pr sence du champ lectrique mais qu on mesure par contre sa vitesse limite v dans ces conditions apr s avoir mesur e v comme pr c demment Vous pourrez montrer alors que la charge de la goutte se d duit de ces deux vitesses limites r E 2 0 1 K 8 Remarque importante Lors de la phase ascendante de la goutte celle ci peut se mettre changer brusquement de vitesse limite ceci correspond au transfert de charges Aq avec Lu a i 2 K 2 1 son environnement reli la variation de vitesse Av selon Aq Ag v C est historiquement en recueillant les valeurs de ces changements de vitesses l
10. rique e L nergie cin tique E des lectrons mis a une valeur maximale E qui d pend lin airement de la fr quence du rayonnement d insolation L effet photo lectrique pr sente un seuil en fr quence i e le d but d mission des lectrons par la cathode qui d pend du mat riau composant la cathode e La valeur de E est ind pendante de l intensit lumineuse qui d termine cependant le photocourant i e le nombre de photons mis par unit de temps Rappels l mentaires Les photons issus de la source monochromatique de fr quence v pour vous d une raies spectrales du Mercure d nergi hv arrachent des lectrons la cathode et leur commu nique l nergie cin tique FE Pour arracher ces lectrons il est n cessaire de fournir au minimum l nergie W correspondant au travail de sortie du mat riau consid r Le bilan d nergie est donn par E hv Wo 3 Exp rience historique On se propose de reprendre l exp rience de HERTZ et HALBWACHS en 1886 Une plaque de zinc fra chement d cap e est en contact avec un lectroscope et clair e par une lampe vapeur de mercure dont le spectre contient une forte proportion d ultraviolet Constater et interpr ter les faits exp rimentaux suivants e Si la plaque de zinc pos e sur l lectroscope est initialement charg e n gativement elle se d charge sous l action de l clairement de la lampe e Si l on interpose une plaqu
11. scule faiblement charg consiste en une gout telette d huile charg e positivement par frottement avec l air qu on laisse tomber entre les armatures s par es d une ditance d d un condensateur charg sous une ddp U Mouvement de chute d une gouttelette La goutte sph rique de rayon r faiblement charg e de charge q est soumise son poids TT PhuiteB la force lectrique qE la force de frottement fluide de type STOKES 6rmnrv v tant la vitesse acquise par la goutte et Mair la viscosit dynamique de Pair 4 et enfin la pouss e d ARCHIM DE TT par Vous montrerez ais ment que l quation du mouvement de la goutte de masse m soumise ces forces m dv dt X F a pour solution 1 OT Nairt 6TNairT Tr Pruit z Pair g qE 1 eat 4 On constate que la goutte atteind rapidement une vitesse limite Viim d s que t gt NNairt qui ne d pend que du rayon r de la goutte Il d coule de ce r sultat diff rentes m thodes de mesures pour la charge de la goutte M thodes de mesure de la charge de la goutte Chaque m thodes se d compose en deux mesures permettant d acc der d une part au rayon r de la goutte et d autre part sa charge q Mesure dite statique d nomination Leybold La gouttelette est arr t e dans sa chute et immobilis e par l application d une ddp Uo entre les armatures du condensateur Son poids et la pouss e d ARCHIM DE sont alors com
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