chapA03-Dispersion refraction - leprof

Chap. 3
Dispersion et réfraction de la lumière
I. La lumière
1- Prisme et spectres
Le prisme utilisé en optique est taillé dans un matériau transparent, il comporte trois faces planes
rectangulaires et deux faces planes triangulaires.
On réalise un faisceau de lumière blanche puis on interpose le prisme ; la lumière est déviée (vers la base du
prisme) et sur l’écran on observe les couleurs de l’arc en ciel, c’est la dispersion de la lumière blanche.
2- Lumière et longueur d’onde
Si on reproduit l’expérience précédente avec le laser, il y a bien déviation mais le faisceau lumineux reste
rouge après avoir traversé le prisme.
Une radiation monochromatique est une lumière qui ne peut pas être décomposée par un prisme, elle
correspond à une couleur déterminée donc à une longueur d’onde précise.
L’œil est sensible aux radiations monochromatiques appartenant aux radiations visibles. Ce domaine s’étend
approximativement de 400 nm (violet) jusqu’à 800 nm (rouge).
II. La réfraction
1- Définitions
On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subit à la traversée de la
surface de séparation entre deux milieux transparents.
Vocabulaire
. Le rayon lumineux qui arrive sur la surface de séparation entre les deux
milieux est le rayon incident. . Le point (I) où le rayon incident arrive sur la
surface est le point d'incidence.
. Le rayon lumineux qui se propage dans le deuxième milieu, après réfraction,
est le rayon réfracté.
. La droite perpendiculaire en I à la surface de séparation est la normale au
point d'incidence.
. L’angle entre le rayon incident et la normale est l'angle d'incidence i; l'angle
entre le rayon réfracté et la normale est l'angle de réfraction r.
. Le plan contenant le rayon incident et la normale au point d'incidence est le
plan d'incidence.
vitesse de la lumière dans le vide
vitesse de la lumière dans le milieu considéré
Pour une longueur d’onde donnée.
L’indice de réfraction n 
n
c
v milieu
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2- Les lois de Descartes
Première loi de Descartes :
Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le plan perpendiculaire à la
surface de séparation des deux milieux.
Seconde loi de Descartes :
L'angle d'incidence et l'angle de réfraction sont reliés par la relation : n1sin i1 = n2 sin i2
où n1 et n2, appelés indices de réfraction, caractérisent les milieux transparents l et 2.
III. Dispersion de la lumière
1- L’expérience de newton
Une source de lumière blanche suivie d’un condenseur et d’une fente, on observe sur l’écran l’image de la
fente.
Interposons un prisme sur le trajet lumineux, il se forme une figure étalée avec les couleurs de l’arc-en-ciel.
2- Les radiations monochromatiques
Le prisme dévie différemment les radiations monochromatiques composant la lumière blanche qui est une
lumière polychromatique.
A toute radiation monochromatique on associe une longueur d’onde précise.
Les filtres permettent de ne laisser passer qu’un faible domaine de radiations lumineuses de longueur d’onde
appartenant à un domaine très étroit.
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3- La lumière blanche
Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière blanche ?
Tout d’abord, le verre est un milieu dispersif pour la lumière, c'est-à-dire que la vitesse dépend de la
fréquence, donc de la longueur d’onde, donc de la couleur.
Dans le verre, la vitesse de la radiation rouge est différente de la vitesse de la radiation bleu
vR vB
c
L’indice de réfraction n =
n’est pas le même pour le rouge et le violet ou bleu
v milieu
c
c
 nR  nB 
vR
vB
Lorsque la lumière passe de l’air au verre, on peut appliquer la deuxième lois de Descartes de la réfraction
n1 . sin i1 = nR . sin iR
= nB . sin iB
Les indices étant différents, les angles de réfraction sont différents pour le rouge et le bleu, ils sont séparés et
la lumière blanche est décomposée
A la sortie, il y a différents points d’incidences et les rayons s’écartent encore plus on obtient un spectre
continu.
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