Réfraction et dispersion de la lumière

Lycée Paul CEZANNE – Aix-en-Provence
2nde – Réforme 2010
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On peut facilement mettre en évidence le phénomène de réfraction : lorsqu’on
plonge une paille dans un verre d’eau, cette dernière semble brisée au niveau
de la surface de séparation entre l’air et l’eau. C’est une illusion d’optique due
à la propagation non rectiligne de la lumière lorsqu’elle change de milieu.
a. Schéma de l’expérience
Rayon incident
Angle
incident i1
Angle
réfléchi
Milieu 1
(indice )
Rayon réfléchi
Surface de séparation
(aussi appelée dioptre)
Milieu 2
(indice )
Rayon réfracté
Angle
réfracté i2
b. Loi sur la réflexion



Le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi sont dans le plan normal au
dioptre ;
Le rayon incident et le rayon réfléchi sont de part et d’autre de la normale ;
L’angle réfléchi est égal à l’angle incident :
i=r
c. Loi sur la réfraction



Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans le plan normal au
dioptre ;
Le rayon incident et le rayon réfléchi sont de part et d’autre à la fois de la normale et
du dioptre ;
Le sinus de l’angle incident est proportionnel au sinus de l’angle réfracté :
n1  sin  i1   n2  sin  i2   sin  i1  
Partie I – L’Univers
n2
 sin  i2 
n1
Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
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La lumière blanche est une lumière polychromatique : elle est donc constituée d’une infinité de radiations de
couleurs (et de longueurs d’onde dans le vide) différentes.
L’indice n de réfraction d’un milieu est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide sur la vitesse de la
lumière dans le milieu :
n
c
v
où c  3,00  10 8 m.s 1
milieu
Or la vitesse d’une radiation lumineuse est bien souvent dépendante de la longueur d’onde de la radiation dans
le vide : il en découle que l’indice de réfraction est lui aussi dépendant de cette longueur d’onde :
Crown
Flint F1
Diamant
434 nm (bleu profond)
1,528
-
486 nm (cyan)
1,523
1,632
2,451
589 nm (jaune)
1,517
1,62
2,418
656 nm (rouge clair)
1,514
1,615
2,407
768 nm (rouge sombre)
1,511
-
L’indice de réfraction n’est pas le même pour toutes les couleurs du spectre de la lumière blanche, en fait il
croît lorsque la longueur d’onde décroît : nrouge  ...  nviolet
Cette particularité se traduit par le phénomène de séparation des couleurs par le prisme : l’indice pour le
rouge étant moins important que pour le violet, le rouge est moins réfracté que le violet (les autres couleurs
sont intermédiaires entre le rouge et le violet).
I’R1
I’R2
IV2
IR2
Partie I – L’Univers
I’V2
I’V1
Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
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2nde – Réforme 2010
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La lumière blanche qui arrive du Soleil subit une double réfraction dans les gouttes de pluie : il en résulte la
formation d’un arc-en-ciel.
Le cerveau croit que tous les rayons lumineux se propagent en ligne droite. Les rayons lumineux semblent
provenir d’en bas, le cerveau croit donc que le palmier se reflète sur de l’eau.
Partie I – L’Univers
Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
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2nde – Réforme 2010
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Lorsque le Soleil se couche, on peut observer plusieurs phénomènes : plus le Soleil descend sur l’horizon et
plus il rougit, on constate aussi qu’il se déforme. Enfin il est possible d’apercevoir, dans certaines conditions,
le fameux rayon vert.
La couleur rouge du Soleil n’est pas due à un changement de couleur du Soleil lui-même, mais au fait que la
lumière qu’il émet traverse une bien plus grande épaisseur d’atmosphère lorsqu’il est bas sur l’horizon : la
diffusion (responsable du bleu du ciel) et l’absorption sont donc d’autant plus importantes, la proportion de
bleu qui nous parvient est donc diminuée par rapport au rouge, d’où l’apparence rouge du Soleil.
Dans certaines conditions d’observations, on peut voir une tâche verte (ou même un flash vert) au sommet du
Soleil à son lever ou à son coucher : le fameux rayon vert.
On a longtemps cru que le rayon vert était une chimère, ou encore une illusion d’optique due à la persistance
rétinienne (lorsqu’on fixe une source lumineuse, il persiste une tache verte). C’est pourtant un phénomène bien
réel dû à la présence de l’atmosphère, et qu’il est possible de photographier !
Les conditions d’observation du rayon vert sont les suivantes :
 Un ciel clair et dégagé d’un maximum de poussière ;
 La présence d’un anticyclone (plus forte densité d’air) ;
 Une ligne d’horizon lointaine (plus grande épaisseur d’air traversée par la lumière).
Le lieu idéal d’observation est donc au bord d’une mer ou d’un océan.
Partie I – L’Univers
Réfraction et dispersion dans l’atmosphère