UN DISPERSIF : LE PRISME

Chapitre 3 :
DISPERSION ET REFRACTION DE LA LUMIERE
I.
NATURE DE LA LUMIERE BLANCHE :
1.1.
Le prisme :
Le prisme est un système optique, taillé dans un milieu transparent comme le verre ou le plexiglas, constitué
de 3 faces planes rectangulaires et de deux faces planes triangulaires. On le représente par un triangle.
1.2.


Décomposition de la lumière blanche par un prisme : Expérience de Newton
La lumière issue du prisme est déviée : le violet est plus dévié que le rouge.
Elle possède toutes les couleurs de l’arc-en-ciel : ces couleurs sont appelées radiations.
Le phénomène de décomposition de la lumière s’appelle la DISPERSION. La figure obtenue s’appelle le
spectre lumineux de la lumière blanche. La lumière blanche est composée de plusieurs radiations
monochromatiques. C’est une lumière polychromatique.
Remarque : Les gouttes d’eau se comportent comme un prisme. Elles décomposent la lumière du Soleil pour
donner les couleurs de l’arc-en-ciel.
1.3.
Le laser :
Il a été inventé par le physicien Maiman en 1960. Le prisme dévie aussi le faisceau du laser mais il ne le
disperse pas.
Le laser est une source de lumière monochromatique c’est-à-dire composée d’une seule radiation.
1.4. Longueur d’onde :
Chaque radiation est caractérisée, dans l’air ou dans le vide, par une grandeur appelée : longueur d’onde et
noté . Elle s’exprime en mètre ou plus souvent en nanomètre (nm).
L’œil humain n’est sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400nm et 800nm.
U.V.
visible
400nm
I.R.
800nm
()
Exemple :  = 720 nm caractérise une radiation correspondant à une lumière rouge.
 = 762,4 nm correspond à une lumière rouge un peu plus foncée.
II.
ETUDE DE LA REFRACTION :
2.1.
Mise en évidence :
On éclaire une cuve à eau avec un laser.
(N)
Rayon incident
air
eau
I
Rayon réfracté
i1 : angle d’incidence
i2 : angle de réfraction
I : point d’incidence
(N) : normale au point
d’incidence
Le plan définit par le rayon
incident et (N) est la plan
d’incidence.
On appelle REFRACTION de la lumière, le changement de direction que la lumière subit lorsqu’elle traverse la
surface séparant deux milieux transparents différents, appelé dioptre.
2.2.
Les lois de Descartes :
- Première loi :
Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.
- Deuxième loi :
On a montré en TP que le sinus de l’angle de réfraction est proportionnel au sinus de l’angle d’incidence. Cette
relation de proportionnalité se généralise par la loi suivante :
n1 sin i1 = n2 sin i2
n1 : indice de réfraction du premier milieu
n2 : indice de réfraction du second milieu
Chaque milieu transparent est caractérisé par son indice de réfraction n, nombre sans unité, égal ou
supérieur à 1, tel que : n = c/v.
La déviation du rayon par la surface de séparation est donnée par la relation : D = i1 – i2
Exemples : air : n = 1,00
eau : n = 1,33
verre, plexiglas : n = 1,50
cristal :
n = 1,60
diamant : n = 2,42
Remarques :
- Si le milieu incident est l’air alors on retrouve la relation du TP : sin i1 = n.sin i2
- Si n2 n1 alors sin i1 sin i2  i1 i2 .Le rayon réfracté se rapproche de la normale.
- Si n1 n2 alors sin i2  sin i1  i2 i1 alors le rayon réfracté s’écarte de la normale.
- Plus le milieu d’un indice est grand plus le milieu est dit REFRINGEANT.
2.3.
Application :
Un rayon laser se propageant dans l’eau arrive sur la surface de séparation eau-air sous un angle d’incidence
i1 = 30°. On donne : n(eau) = 1,33 et n(air) = 1,00
 Faire un schéma du dispositif.
 Déterminer l’angle de réfraction i2 du rayon émergent dans l’air.
 On fait varier i1. Pour quelle valeur iL de i1 a-t-on i2 = 90° ?
III.
INTERPRETATION DE L’EXPERIENCE DU PRISME :
3.1.
Analyse de l’expérience :
L’expérience de Newton a permis de faire les observations suivantes :
 Le faisceau de lumière sortant du prisme est dévié par rapport au faisceau incident. La lumière est
déviée vers la base du prisme.
 Le faisceau sortant est coloré alors que la lumière initiale est blanche.
 La lumière rouge est moins déviée que la lumière jaune, elle-même moins déviée que la lumière bleue.
Donc la lumière ne suit pas le même trajet selon sa couleur. Ce trajet dépend de la valeur de l’angle de
réfraction sur la face d’entrée du prisme.
2.2. Interprétation :
Pour interpréter une telle expérience, on considère que le prisme est principalement constitué de deux
surfaces de séparation. La première est la surface air-verre, appelée face d’entrée du prisme et la seconde
est la surface verre-air, appelée face de sortie. Ces deux faces forment un angle noté A : angle du prisme.
2.2.1. Interprétation de la déviation :
Le rayon lumineux incident subit une première réfraction sur la face d’entrée et une deuxième réfraction sur
la face de sortie. A l’intérieur du prisme il se propage en ligne droite.
La déviation de la lumière observée lors de l’expérience du prisme est la somme des déviations dues à chaque
surface de séparation traversée.
2.2.2. Interprétation des couleurs de la lumière sortant du prisme :
La lumière incidente est blanche. L’expérience montre que plus la longueur d’onde d’une radiation est courte,
plus cette radiation est déviée. On en déduit que l’indice n du verre constituant le prisme n’est pas le même
pour toutes les longueurs d’onde.
L’indice d’un milieu transparent, autre que le vide ou l’air, dépend de la longueur d’onde de la radiation qui s’y
propage : ce milieu est dit dispersif.
Exercices n° 15 – 16 – 17 – 24 – 26 – 29 pages 231 à 233