Physique : 2nde Cours Chapitre.4 : Dispersion et réfraction de la

Physique : 2nde
Cours
Chapitre.4 : Dispersion et réfraction de la lumière
I. Décomposition de la lumière blanche
Newton (dès 1766) a décomposé la lumière solaire avec un prisme.
1. Expériences au bureau :
Fente
Lumière blanche
1
Lampe à incandescence
Prisme
Fente
2
Ecran
Laser rouge
Prisme
Ecran
Expérience.1 :
Le soleil, une lampe à incandescence émettent de la lumière blanche qui peut être décomposée par un prisme.
On obtient sur l’écran le spectre de la lumière blanche. C’est une lumière polychromatique : on observe les couleurs de
l’arc en ciel (Violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange et rouge) : on parle de dispersion de la lumière blanche
Voir site pour l’image du spectre de la lumière blanche : à coller ci-dessous
Spectre de la lumière blanche
Remarque :
D’autres moyens permettent de décomposer la lumière blanche :
 Un disque compact (CD) : voir image sur le site
 Un réseau de diffraction : dispositif optique composé d'une série de traits parallèles : voir site
Ces traits sont espacés de manière régulière, l'espacement est appelé le « pas » du réseau.
 Des gouttelettes de pluie en présence du soleil (arc en ciel) : voir site pour l’image
 Des bulles de savon éclairées en lumière blanche : voir site
 Une flaque d’essence sous la lumière du soleil
Tous ces éléments sont des milieux dispersifs : ils décomposent la la lumière blanche
Expérience.2 :
Une lumière monochromatique (exemple : laser rouge) ne peut être décomposée par un prisme : son spectre ne contient
qu’une seule raie colorée caractérisée par sa longueur d’onde  (lambda) dont l’unité est le mètre (m) : voir site
2. Conclusions :
 Les milieux qui permettent de décomposer la lumière blanche sont dits : milieux dispersifs.
Le phénomène lui-même s’appelle : phénomène de dispersion de la lumière blanche.
 La lumière blanche est une lumière polychromatique.
 La lumière laser est une lumière monochromatique.
3. Lumières visibles :
L’œil humain est sensible à la lumière visible dont les longueurs d’ondes sont comprises entre  = 400 nm pour le violet
et  = 800 nm pour le rouge. Le domaine des ultraviolets (UV :  ‹ 400 nm) ainsi que celui des infrarouges (IR :  › 800 nm)
ne sont pas perceptibles par l’œil humain.
Domaine des
ultraviolets (UV)
 = 400 nm
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Domaine des
infrarouges (IR)
nm)
 = 800 nm
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II. Réfraction de la lumière : voir TP
1. Définition :
La lumière subit une réfraction lorsqu’elle change de direction à la traversée d’une surface de séparation entre deux
milieux transparents différents.
Chacun des deux milieux transparents est caractérisé par son indice de réfraction noté n (sans unité).
2. Lois de Descartes :
La réfraction de la lumière est régie par deux lois appelées : lois de Descartes (voir site pour la biographie).
Normale à la surface de séparation
Milieu transparent 1 : indice de réfraction n1
Rayon incident
i1
Surface de séparation
entre les deux milieux
i2
Rayon réfracté
Milieu transparent 2 : indice de réfraction n2
i1 : angle d’incidence, c’est l’angle entre la direction du rayon incident et la normale à la surface de séparation.
i2 : angle de réfraction, c’est l’angle entre la direction du rayon réfracté et la normale à la surface de
séparation.
Première loi de Descartes :
Le rayon réfracté est dans le même plan que le rayon incident.
Deuxième loi de Descartes :
Le rayon incident i1 et le rayon réfracté i2 sont liés par la relation suivante (voir TP) :
n1 x sin i1 = n2 x sin i2




Remarque
:
n1 : indice de réfraction du milieu 1 (sans unité)
n2 : indice de réfraction du milieu 2 (sans unité)
i1 : angle d’incidence en degrés
i2 : angle de réfraction en degrés
L’indice de réfraction n d’un milieu est toujours supérieur ou égal à 1 : n ≥ 1
L’indice de réfraction de l’air est fixé à 1 : nair = 1
Voir exercices d’application n°1/2/3/4
III. Dispersion de la lumière :
L’indice de réfraction n d’un milieu dispersif dépend de la longueur d’onde  de la radiation lumineuse : n = f().
Conséquence :
Les différentes radiations lumineuses, de longueurs d’onde , ne sont pas déviées de la même façon. La radiation violette
est plus déviée que la radiation rouge, d’où le phénomène de dispersion de la lumière blanche par un prisme.
Lumière blanche
Rouge
Violet
Voir exercice d’application n°5
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Exercices d’application : Réfraction et dispersion
Exercice. 1 :
Sur le schéma ci-dessous est représenté un rayon lumineux sortant dans l’air après avoir traversé l’eau.
L’indice de réfraction de l’eau neau est égal à 1,33, et celui de l’air nair est pris égal à 1.
Air
30°
I
Eau
1.
2.
3.
4.
5.
Tracer la normale à la surface de séparation, au point I, entre les deux milieux.
Indiquer le milieu 1 qui est le milieu incident.
Quelle est la valeur de l’angle de réfraction i2 ?
Calculer la valeur de l’angle d’incidence i1. Justifier.
Représenter sur le schéma le rayon incident.
Exercice. 2 :
QCM : Questions à choix multiples
1. La réfraction au niveau de la surface de séparation air-verre se schématise-t-elle par la figure a, b ou c ?
a
b
c
2. L’indice de réfraction de l’eau peut être égal à :
a) 1,33
b) 1,00
c) 0,50
3. Parmi les relations suivantes, laquelle correspond à la deuxième loi de Descartes pour la réfraction de la lumière ?
a) sin i2 =
b) n1 =
sin i1 x n2
n1
sin i1 x sin i2
n2
c) sin i1 =
n2 x sin i2
n1
4. Lorsque le rayon incident arrive perpendiculairement à la surface d’un milieu transparent, son angle d’incidence vaut :
a) 45°
b) 0°
c) 90°
Et il ressort :
a) sans être dévié
b) avec un angle de 90° par rapport à la normale
c) il n’est pas réfracté
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Exercice. 3 :
Un rayon lumineux passe de l’air dans de la glycérine. L’angle d’incidence vaut 30° et l’angle de réfraction 20°.
1. Faire un schéma de cette situation
2. Calculer l’indice de réfraction de la glycérine.
On donne l’indice de réfraction de l’air égal à 1.
Exercice. 4 :
Compléter les trois figures suivantes en traçant le rayon lumineux manquant et expliquer dans chaque cas votre raisonnement.
On donne l’indice de réfraction de l’air égal à 1.
1
2
Air
3
Air
Air
36°
n = 1,52
n = 1,18
n = 1,772
60°
Exercice. 5 :
Un rayon lumineux composé d’une lumière monochromatique rouge et d’une lumière monochromatique bleue arrive sur un
prisme en verre d’angle au sommet A = 60°, avec un angle d’incidence i1 = 30°.
Les indices de réfraction du verre pour le rouge et le bleu sont respectivement nR = 1,48 et nB = 1,51.
1.
2.
3.
4.
5.
Représenter sur le schéma ci-dessous le rayon incident au point I.
Déterminer à un degré près les angles de réfraction i2R pour le rouge et i2B pour le bleu dans le prisme.
Tracer approximativement ces deux rayons dans le le prisme.
Quel est le rayon le plus dévié dans le prisme ?
Calculer les angles des rayons sortant du prisme i3R et i3B sachant que
les angles des rayons réfractés i’2R et i’2B et arrivant sur la deuxième face
du prisme sont donnés par les deux relations i’2R = A – i2R et i’2B = A – i2B
6. Tracer les deux rayons sortant du prisme sur le schéma ci-dessous.
7. Quel est celui le plus dévié ?
8. Comment appelle-t-on ce phénomène ?
On donne nair = 1
A
Air
Air
I
Verre
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