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Exemple de résultats obtenus pour la courbe E = f(α).

Laser Polariseur Analyseur Luxmètre

Schéma de montage pour la vérification de la loi de Malus.

TP 18 PolarisationSPCLModule Ondes

MesurerOndes polarisées ou non polarisées ; polariseur, analyseur.- Produire et analyser une lumière polarisée.- Associer la polarisation d’une onde électroma-gnétique à la direction du champ électrique.- Déterminer une concen-tration à partir de la mesure de la déviation du plan de polarisation de la lumière dans une solution.

Utiliser l’énergie transportée par les ondesPolarisation.- Associer la polarisation

d’une onde électroma-gnétique à la direction du champ électrique.

- Différencier expérimen-talement une lumière polarisée rectilignement d’une lumière non polarisée à l’aide d’un polariseur.

- Illustrer expérimenta-lement le principe d’un afficheur à cristaux liquides.

Introduction

Pendant le TP

Exemples de manipulations

La lumière est une onde électromagnétique. Sa polarisation est caractérisée par l'orientation du champ électrique (ou magnétique) dans le plan per-pendiculaire à la propagation. La polarisation peut être abordée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, l’élève se familia-rise avec le matériel et les notions de polarisation : - différencier lumière polarisée ou non polarisée,- déterminer le maximum d’intensité d’une lumière

polarisée,

- comment analyser une lumière polarisée,- mise en avant des différents types de polarisation

à l’aide de lames retard.Dans un second temps, on applique ces méthodes à la découverte de phénomènes s’appuyant sur la polarisation : en chimie avec les molécules chirales, en physique avec un capteur LCD.

Les manipulations présentées s’appuient sur un en-semble de matériel complet, basé autour du thème de la polarisation. Il s’adapte sur banc d’optique, pour une mise en œuvre simplifiée. Pour des résul-tats très précis, il est conseillé d’utiliser un banc prismatique et de se placer dans un espace le moins éclairé possible.

Cet ensemble est à compléter par un laser et un lux-mètre. Il est préférable de disposer de ces éléments montés sur tige afin de faciliter les alignements en les plaçant sur le banc d’optique.

1- Polarisation d’une diode et vérification de la loi de Malus

2- Détermination des différents types de polarisation

Trucs et astucesDans ces exemples, la loi de Biot a été démontrée sur banc afin de réinvestir le matériel et les connaissances acquises par les élèves en optique. Il est bien entendu possible d’utiliser aussi un polari-mètre de Laurent ou un polarimètre simplifié pour introduire ces appareils de mesure de chimie.Découvrez notre gamme de polarimètres sur : www.jeu-lin.fr.

T STLle

Après avoir déterminé le sens de polarisation du la-ser, on place le polariseur selon l’angle permettant d’obtenir le maximum d’intensité lumineuse. On place ensuite un 2e polariseur servant d’analyseur.

Le luxmètre permet de mesurer l’intensité lumi-neuse reçue.On fait tourner l’analyseur et on relève l’intensité lumineuse résultante.

On trace la courbe E = f(α), avec :- E = intensité lumineuse mesurée au luxmètre

(en lux) - α = angle de l’analyseur (en °)

On obtient un graphe de forme sinusoïdale où l’on observe les angles remarquables entre le polariseur et l’analyseur donnant des maxima d’intensité ou des extinctions.

La polarisation est dite rectiligne.

La manipulation précédente a permis de mettre en évidence une polarisation dite rectiligne.D’autres types de polarisation existent : la polarisation circulaire et la polarisation elliptique ou aléatoire.

Pour les observer, on utilise le même montage que précédemment en insérant une lame retard entre le polariseur et l’analyseur.

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TP d'

optiq

ue

Dans cette configura-tion, le segment qui s’affiche est lumineux sur fond sombre. On dit alors que le contraste est négatif.

Dans cette configura-tion, le segment qui s’affiche est sombre et le fond lumineux. On dit alors que le contraste est positif.

Dispositif expérimen-tal d’étude d’un écran LCD.

Résultats obtenus pour le fructose.Résultats obtenus pour le saccharose.

Laser PolariseurEnceinte

pour liquide Analyseur Luxmètre

Schéma de montage pour l’étude de la loi de Biot.

Laser PolariseurLame 1/4

d’onde Analyseur Luxmètre

Schéma de montage pour la détermination des différents types de polarisation.

Matériel nécessaire Ré-fé-

Pack Polarisation et LCDComposition :- 2 polariseurs de précision- 1 lame λ/4- 1 lame λ/2- 1 enceinte pour liquide sur tige- 1 système LCD avec monture- 1 filtre vert diapositive- 1 lentille de projection écranPack polarisation et LCD Réf. 202 883

À compléter par :Laser rouge sur tige - 650 nm Réf. 202 240 Luxmètre sur tige Réf. 202 889

Un banc d'optique équipé avec cavaliers, source banche et écran sur tige.

3- Déviation du plan de polarisation selon la concentration d’une solution (loi de Biot)

Pour aller plus loin

Il est possible de réaliser de nombreuses ma-nipulations avec le pack polarisation et LCD. Cet ensemble de matériel est fourni avec une notice décrivant pas à pas différents TP.Vous pouvez consulter cette notice sur www.jeulin.fr.

Polarisation circulaire :Positionner le 1er polariseur à 90° et la lame quart-onde à 45°, tourner progressivement l’analyseur. On constate que la position de l’analyseur n’a aucune influence sur la polarisation.

Elliptique ou aléatoire : Positionner le 1er polariseur à 90° et la lame quart-onde à un angle quelconque (≠ 45°). Tourner l’index de l’analyseur. On remarque que l’on n’a pas l’extinction totale mais seulement un minimum d’inten-sité.

Certaines substances dites "optiquement actives" ont la capacité de tourner le sens de polarisation de la lumière : - si le sens de polarisation tourne vers la

droite, on dit que la substance est dextro-gyre,

- si le sens de polarisation tourne vers la gauche, on dit que la substance est lévo-gyre.

Pour une substance active, la loi de Biot dit que l’angle de rotation est proportionnel à la longueur de la cuve et à la concentration. Loi de Biot : α = [α]. l. C, avec :- α : angle de rotation en °- [α] : pouvoir rotatoire (°.g-1.ml. dm-1), - l : longueur de la cuve (dm), - C : concentration de la solution en (g.ml-1).

4- Étude du fonctionnement d’un écran LCD

Les cristaux liquides appartiennent à un état intermédiaire de la matière entre l’état liquide et l’état solide. Il est possible d’agir sur leur structure en appliquant un champ électrique ayant pour effet de modifier les propriétés optiques de ce dernier, en particulier sa polarisation :- en l’absence de champ électrique, les

molécules s’orientent naturellement et la substance est parfaitement transparente,

- en présence d’un champ électrique, une modification du milieu s’opère et la subs-tance s’obscurcit.

Le montage présenté permet l’étude d’un écran LCD. Au repos (sans pile), on observe que l’écran se comporte naturellement comme une lame demi-onde.Cette observation permet ensuite d’étudier le capteur en fonctionnement.

On peut, par exemple, démontrer expéri-mentalement cette loi avec une substance dextrogyre (le saccharose) et une substance lévogyre (le fructose).

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