Comment se propage la lumière à l`intérieur d`une fibre optique

TP7
La fibroscopie
Objectifs de la séance :
-
Etudiez la loi de la réflexion de la lumière ;
Déterminez l’indice de réfraction d’un milieu ;
Appliquez les connaissances établies à l’étude d’une fibre optique (fibroscopie – endoscopie).
La fibroscopie est une technique médicale permettant
d’explorer les organes à l’intérieur du corps. Un
dispositif de fibroscopie comprend deux fibres
optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre
transmet l’image à l’observateur.
Comment se propage la lumière à
l’intérieur d’une fibre optique ?
1. Vocabulaire
Milieu 1
(indice de réfraction n1)
Milieu 2
(indice de réfraction n2)
2. La réflexion de la lumière
2.1. Réflexion totale sur un miroir
Dispositif expérimental :
Protocole expérimental :
 Placez un miroir sur la plate-forme perpendiculairement à la normale N,
représentée par l’axe 0°  0°
 Eclairez le miroir et faite tourner la plate-forme afin que l’angle
d’incidence i1 = 10°. Mesurez l’angle de réflexion r.
 Refaite la mesure pour différents angles d’incidence.
Complétez le tableau ci-dessous :
i1 (°)
0
10
20
r (°)
Question
Q1. Que concluez-vous des résultats du tableau ?
30
40
50
60
70
80
2.2. Principe de la fibre optique
On souhaite maintenant étudier le phénomène de passage de la lumière d’un milieu plus réfringent vers un milieu
moins réfringent. Pour cela, on fait pivoter le demi-cylindre de 180°afin que les rayons incidents frappent un dioptre
circulaire, et ne soient donc pas déviés (voir dessin ci-dessous). On peut alors étudier le comportement de la lumière
sur l’interface plexiglas – air.
Protocole expérimental :
 Placez le demi-disque de plexiglas sur la plate-forme
tournante en respectant les consignes suivantes :
-
la tranche du demi-disque coïncide avec l’axe 90-90 ;
Le centre du disque coïncide avec le centre de la
plaque tournante.
 Eclairez la section arrondie du demi-disque en faisant tourner la
plate-forme (voir dessin ci-contre).
Complétez le tableau ci-dessous :
Angle d’incidence i1 (°)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Angle de réfraction i2 (°)
Angle de réflexion r (°)
Questions
Q2. Le faisceau réfracté existe-t-il toujours ? Sinon, quelle est la valeur maximale de l’angle de réfraction i2 ?
Q3. En utilisant la relation de Snell-Descartes relative à la réfraction, calculez la valeur de l’angle d’incidence limite
(i1 lim) pour lequel l’angle de réfraction i2 est maximal en sachant que nair = 1,00 et nplexiglas = 1,50.
Q4. Quel est le phénomène observé lorsque l’angle d’incidence est supérieur à l’angle d’incidence limite ?
Q6. Quelles sont les deux conditions pour observer le phénomène de réflexion totale ?
3. Conclusion
Un fibroscope utilise une fibre optique. Reprenez les résultats de l’étude précédente et complétez le trajet de la
lumière sur le schéma de la fibre optique ci-dessous :
Lumière
incidente
Cœur
10 µm
Gaine
125 µm
Protection
230 µm
CORRECTION
90°
milieu 1
verre(n1)
i2
i1’
0
milieu 2
air(n2)
i1
faisceau
de lumière
0
90°
Conditions pour observer le phénomène de réflexion totale :
-
Il faut que l’indice de réfraction du milieu 2 soit inférieur à celui du milieu 1 :
n2 < n1
-
Il faut que l’angle d’incidence soit supérieur à l’angle d’incidence limite :
i1 > i1lim
La fibre optique :
Lumière
incidente