On trouvera dans ce chapitre les exercices suivants :
Auteur : Marc Fouchard
La loi de Planck montre que pour un corps noir, l'énergie émise par rayonnement suivant un longueur d'onde, ne dépend que de la température de surface du corps noir. Cette loi est donnée par la relation suivante :
où correspond à la vitesse de la lumière dans le vide, est la constante de Planck, la constante de Boltzmann, la longueur d'onde à laquelle le rayonnement est émis et la température de surface du corps noir.
La figure ci dessous montre le comportement de pour différentes températures de surface du corps noir. On peut remarquer que le maximum de la courbe se déplace sur la gauche lorsque la température augmente. Autrement dit, la longueur d'onde pour laquelle le rayonnement émis est maximal diminue lorsque la température de surface augmente.
Loi de Planck
Le but de cet exercice est de trouver la relation exacte entre et .
Cette exercice repose sur la détermation du maximum d'une fonction sur un intervalle donné. L'exercice utilise aussi le théorème du point fixe dans , mais ce théorème peut être admis ici.
Difficulté : ☆☆ Temps : 1h
Sachant que , et sont des constantes strictement positives et que la température étant mesurée en degré Kelvin est aussi strictement positive, montrer que est de classe et est toujours strictement positive lorsque .
Montrer que les limites de quand tend vers 0 et vers sont toutes les deux égales à zéro.
En déduire qu'il doit exister un maximum pour sur .
En effectuant le changement de variable , montrer qu'étudier le signe de revient à étudier celui de .
En déduire une condition sur , de la forme , pour que s'annule. On note la solution de cette équation lorsqu'elle existe.
On peut monter par le théorème du point fixe dans que admet un point fixe et que la suite définie par converge vers ce point fixe (voir Loi de Wien et théorème du point fixe). En prenant trouver une valeur qui soit une valeur approchée de à prêt.
En déduire la relation où , et. Cette relation correspond à la loi de Wien pour les corps noirs. Justifier l'utilisation de dans le calcul de la constante .
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Ces propriétés viennent du fait que s'écrit comme un produit de fonctions strictement positives et de classe sur .
On pourra effectuer le changement de variable . Pour la limite en on pourra faire un développement limité en 0 à l'ordre 1 de la fonction exponentielle.
car l'exponentielle l'emporte sur tout polynôme en .
où on a utilisé le dévelopement limité en 0 à l'ordre 1 de la fonction exponentielle :.
Les limites trouvées à la question précédente nous permettent de dire que et tels que on a et et on a . est une fonction continue sur l'intervalle .
Or l'image d'un segment fermé par une fonction continue est un segment fermé. Ce dernier possède donc une borne supérieure qui est atteinte par la fonction sur Soit ce maximum. On peut alors choisir pour que , ainsi sera aussi le maximum de sur .
Il suffit d'écrire: .
donc .
Comme , et que on a . Ainsi la condition sur . peut se mettre sous la forme .
La convergence est assez rapide pour dire que est une approximation qui répond à la question.
On doit trouver la loi :