TP virtuel sur le rayonnement infrarouge : cube de Leslie

Ce TP virtuel sur le rayonnement infrarouge correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE Physics sur l'effet de la nature d'une surface sur l'infrarouge qu'elle émet et absorbe. Dans la partie A, les élèves tournent chaque face d'un cube de Leslie rempli d'eau chaude vers un détecteur infrarouge et notent les mesures. Dans la partie B, un radiateur chauffe une plaque noir mat et une plaque argent brillant, et les élèves chronomètrent le temps que met une punaise collée à la cire pour tomber de chacune. Ils terminent avec un diagramme en barres de l'émission, deux temps d'absorption et une discussion sur le test équitable.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Physics (8463) 4.6.2.2 et le TP obligatoire 10 : effet du type de surface sur la quantité de rayonnement infrarouge qu'elle émet et absorbe. En Combined Science: Trilogy, le même contenu est le point 6.6.2.2.
• Il accompagne aussi l'idée, réservée au cours de Physics seul, qu'un bon absorbeur est aussi un bon émetteur (4.6.3.1).

Simulic n'est pas affilié à AQA et n'est pas approuvé par cet organisme.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :

« Les quatre faces du cube sont à la même température. Comment se comparent les mesures du détecteur pour les faces noir mat, blanc mat, argent mat et argent brillant ? »

La plupart des élèves s'attendent à ce que le blanc émette aussi peu que l'argent brillant.

Protocole dans la simulation

1. Ouvrez l'onglet A. Émission – cube de Leslie. Laissez Température de la pièce à 20 °C, Eau chaude à 80 °C, Distance du détecteur à 10 cm et Vitesse du temps à ×5.
2. Appuyez sur Remise à zéro. L'étiquette de l'appareil passe à « mis à zéro ».
3. Choisissez Noir mat. Appuyez sur Remettre de l'eau chaude, attendez environ 5 secondes une mesure stable, puis appuyez sur Noter le résultat.
4. Recommencez l'étape 3 pour Blanc mat, Argent mat et Argent brillant. Mesure auto des 4 faces le fait pour vous. Chaque ligne du panneau du test équitable doit être cochée.
5. Ouvrez l'onglet B. Absorption – punaises et cire. Réglez Radiateur sur 1500 W et Distance plaque–radiateur sur 6 cm. Choisissez ×20 si le temps presse. Appuyez sur Allumer le radiateur et attendez que les deux punaises tombent. Le tableau note les deux temps.
6. Appuyez sur Nouvel essai et recommencez à 2000 W avec 4 cm, puis à 1000 W avec 6 cm.

Face (80 °C, 10 cm, mis à zéro)	Noir mat	Blanc mat	Argent mat	Argent brillant
Mesure du détecteur (mV)
% du noir mat	100

Radiateur (W)	Distance (cm)	Chute de la punaise, noir mat (s)	Chute de la punaise, argent brillant (s)
1500	6
2000	4
1000	6

Résultats attendus

Toutes les mesures viennent de la simulation, dont les émissivités et les valeurs du radiateur sont des valeurs pédagogiques. Le dernier chiffre de l'appareil fluctue d'environ 0,01 mV.

• Émission à 80 °C et 10 cm : noir mat 2,12 mV ; blanc mat 2,01 mV ; argent mat 0,56 mV ; argent brillant 0,15–0,16 mV. L'argent brillant donne environ 7 % de la mesure du noir, le blanc mat 95 %.
• La remise à zéro compte. Sans elle, chaque mesure porte 0,35 mV de trop : le noir indique 2,48 et le brillant 0,51, si bien que le brillant semble donner 21 % du noir au lieu de 7 %.
• L'eau refroidit d'environ 0,4 °C par minute simulée à 80 °C. Le panneau du test équitable signale un écart de plus de 2 °C.
• Absorption : à 1500 W et 6 cm, la punaise noire tombe après 23 s et la punaise brillante après 243 s, environ 10 fois plus tard. À 2000 W et 4 cm : 14 s et 90 s. À 1000 W et 6 cm, la punaise noire tombe après 32 s, mais la plaque brillante se stabilise à 54,6 °C, juste sous la température de fusion de la cire (55 °C) : sa punaise ne tombe jamais.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Comment se comparent les mesures des quatre faces ?
2. Quelles grandeurs doivent rester identiques pendant que vous comparez les quatre faces ?
3. À 80 °C et 10 cm, détecteur mis à zéro et eau renouvelée, que mesure le détecteur pour la face noir mat ?
4. À 1500 W et 6 cm, combien de fois plus de temps la punaise de l'argent brillant met-elle à tomber que celle du noir mat ?
5. Un élève note la face noir mat en premier et la face argent brillant dix minutes plus tard, sans remettre d'eau chaude. Pourquoi n'est-ce pas équitable, et comment améliorer la méthode ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Noir mat le plus élevé, blanc mat presque aussi élevé, argent mat bien plus bas, argent brillant le plus bas. (2) La température de l'eau et la distance entre la face et le détecteur (et la température de la pièce). (3) 2,12 mV (accepter 2,05–2,16). (4) 243 ÷ 23 ≈ 10,6 (accepter 9,5–11). (5) L'eau refroidit d'environ 4 °C : la mesure du brillant est trop basse pour une raison sans lien avec la surface. Remettre de l'eau chaude ou noter toutes les faces rapidement, vérifier la température de l'eau à chaque fois et garder la distance fixe.

Idées fausses fréquentes

• « Les surfaces blanches émettent mal. » Aux grandes longueurs d'onde infrarouges émises par l'eau chaude, la peinture blanche se comporte presque comme la peinture noire : 2,01 mV contre 2,12 mV. C'est le métal brillant qui émet mal.
• « L'argent brillant n'absorbe rien. » Il absorbe encore environ un dixième du rayonnement du radiateur : sa punaise tombe donc bien à 1500 W, simplement dix fois plus tard.

Prolongement

• Distance. Avec la face noir mat, la mesure vaut 4,93 mV à 5 cm ; 2,12 à 10 cm et 0,65 à 20 cm. Passer de 10 à 20 cm laisse environ 31 %, pas les 25 % de la loi en inverse du carré. Demandez pourquoi une grande face proche du détecteur ne suit pas exactement cette loi.
• Test de seuil. Trouvez la plus faible puissance du radiateur, à 6 cm, qui fait encore tomber la punaise brillante en moins de 1200 s (dans la simulation : 1100 W, après environ 527 s). Les élèves expliquent pourquoi la température de la plaque se stabilise : l'infrarouge absorbé compense la chaleur perdue.

Questions fréquentes

Pourquoi la simulation a-t-elle un bouton « Remise à zéro » ?

Une vraie thermopile dérive et capte le rayonnement de la pièce. Sans remise à zéro, la face brillante paraît trois fois meilleure qu'elle ne l'est.

Les élèves peuvent-ils utiliser le résultat du blanc mat à l'examen ?

Enseignez d'abord le point attendu à l'examen : le noir mat est le meilleur émetteur et absorbeur, l'argent brillant le moins bon. Utilisez ensuite le résultat du blanc pour parler de longueur d'onde, comme le fait la note sous la simulation.

Cela remplace-t-il le TP réel ?

Pas pour AQA : les TP obligatoires doivent toujours être faits à la main. Utilisez la simulation pour préparer, répéter ou analyser les résultats. Voir laboratoires virtuels ou réels.

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