dispersion et refraction de la lumiere

CHAPITRE 3
DISPERSION ET REFRACTION DE LA
LUMIERE
COURS : Dispersion et réfraction de la lumière
I. Etude de la réfraction
II. Interprétation de l’expérience du prisme (animation)
III. Réfraction de la lumière dans l’atmosphère terrestre
TP 4 : Réfraction de la lumière – Dioptre air/eau
TP 5 : Réfraction de la lumière – Dioptre plexiglas/air

DISPERSION ET REFRACTION DE LA LUMIERE
I. ETUDE DE LA REFRACTION :
1.1. Mise en évidence :
On éclaire une cuve à eau avec un laser.
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.
1.2. Les lois de Descartes :
- Première loi : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.
- Deuxième loi : 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 verre, plexiglas : n = 1,50 diamant : n = 2,42
eau : n = 1,33 cristal : n = 1,60
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.
1.3. 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° ?
i1 : angle d’incidence
i2 : angle de réfraction
I : point d’incidence
Le plan définit par le rayon
incident et (N) est le plan
d’incidence.

II. INTERPRETATION DE L’EXPERIENCE DU PRISME :
2.1. 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.
 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.
 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.
III. REFRACTION DE LA LUMIERE DANS L’ATMOSPHERE :
3.1. L’arc-en-ciel :
La formation de l’arc-en-ciel s’interprète par la dispersion de la lumière solaire dans les gouttes de pluies.
Pour observer un arc-en-ciel, il faut avoir la pluie devant soi et le Soleil dans le dos.
3.2. Les mirages :
Dans l’atmosphère, l’indice de réfraction de l’air dépend de la température : il augmente quand la température
diminue. Cette variation d’indice provoque la courbure des rayons lumineux qui se propagent depuis un objet
jusqu’à l’œil de l’observateur. C’est le phénomène de mirage.
Comme T1 T2 T3 alors n1 n2 n3 Comme T1  T2  T3 alors n1  n2  n3

3.3. La scintillation des étoiles :
Les mouvements incessants de l’atmosphère terrestre font varier la densité et la température de l’air en un
lieu donné. Cela en modifie légèrement l’indice de réfraction. La lumière venant des étoiles doit traverser
l’atmosphère terrestre avant de nous parvenir. Elle subit de nombreuses réfractions sur les différentes
couches d’air. La direction de sa propagation est en permanence modifiée par les changements des indices de
réfraction. Cela provoque la scintillation des étoiles.