Détermination de la constante de Planck

 Contexte

La constante de Planck joue un rôle fondamental dans la description des phénomènes quantiques. Toutefois, son ordre de grandeur infiniment petit et les situations expérimentales mettant en jeu cette constante la rendent difficilement saisissable. Les concepts novateurs de la physique quantique ainsi que les difficultés à rendre accessible la constante de Planck peuvent être un obstacle pour une bonne compréhension de ces phénomènes par les élèves.

Par ailleurs, malgré leur grande connaissance des phénomènes physiques et leur culture scientifique, les physiciens de la fin du XIX siècle ont éprouvé des difficultés à accepter ce concept révolutionnaire de quantification de l’énergie.
Aujourd’hui encore, l’application des concepts quantiques sont à l’origine de découvertes qui bouleversent notre quotidien comme en atteste la mise en lumière par le comité Nobel de la fabrication de la première diode électroluminescente de couleur bleue par une équipe de chercheurs japonais dans les années 1990.

La constante de Planck apparait dès le programme de 1èreS dans la partie « Observer » (Sources de lumière colorée) mais également dans le programme de classe Terminale Scientifique dans la partie « Comprendre » (Dualité Onde-particule).

L’article ci-dessous propose un exemple de protocole expérimental permettant de mesurer la constante de Planck h = 6,63.10^-34 J.s. Ce protocole peut être mis en œuvre dès la classe de 1èreS et les données expérimentales sont fournies en annexe.

 Le matériel nécessaire à la réalisation de cette expérience

1. un générateur de tension continue réglable (pas plus de 3V nécessaire)
2. une série de diode électroluminescente de couleur différente. Le capot des DEL doit être transparent et la longueur d’onde de la radiation monochromatique émise doit être connue.
3. un potentiomètre 0-10k

 Objectif :

L’objectif de la manipulation est d’obtenir la caractéristique de chacune des diodes afin d’en extraire la constante de Planck.

 Déroulement de la séquence :

1. Chaque binôme disposera d’une diode (de longueur d’onde connue) pour laquelle il tracera la caractéristique.
   Il est également possible de faire vérifier cette longueur d’onde à l’aide d’une analyse spectrale.
2. Chaque groupe calculera l’équation de la droite moyenne pour ne retenir que l’ordonnée à l’origine Us.
3. Un tableau de valeurs sera complété et dans lequel figurera la tension de seuil Us de la DEL ainsi que la longueur d’onde de la radiation monochromatique qu’elle émet.
4. Enfin, une dernière modélisation permettra d’aboutir à la détermination de la constante de Planck.

 Explication :

A partir de la caractéristique de chacune des DEL, nous déterminerons, par l’intermédiaire d’une modélisation, la tension minimale à fournir à celle-ci pour qu’elle produise de la lumière. Nous noterons Us cette tension de seuil. Lorsque la tension aux bornes d’une DEL est Us, l’énergie électrique fournie à la DEL est juste suffisante pour que celle-ci produise de la lumière.
Dans ce cas,

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Données expérimentales

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 Auteur

Bertrand FARENEAU