TP Optique - Egalite des chances

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TP Optique
Réflexion totale de la lumière & création d’un Arc en ciel
Objectifs :
 Rappeler les lois d’optique géométrique vues en cours (2nd)
 Expliquer quelques phénomènes de réfraction totale au quotidien
 Rappeler les longueurs d’ondes (spectre visible)
 Créer un Arc en ciel
 S’entraîner à un QCM
Matériel :
- Lampe de poche
- Un miroir plat
- une feuille de papier blanc.
- Une carafe d’eau
- Une paille
- Un gobelet en plastique transparent

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I) Réflexion totale de la lumière :
1. QCM :
1. Comment se propage la lumière dans le vide et dans les milieux transparents?
 De façon circulaire  en ligne droite  en zigzags
2. Pourquoi voit-on un objet?
 Il émet de la lumière  il réfléchit de la lumière  il est solide
3. À quelle vitesse se déplace la lumière dans le vide et dans l’air?
 3.0x10^8 m/s  2,26x10^5m/s  2,0x10^5m/s  2,7x10^7m/s
4. L'eau (plusieurs réponses possibles):
 a un indice optique plus faible que l'air
 a un indice optique plus grand que le vide
 a un indice optique plus grand que l'air
 est un milieu moins réfringent que l'air
 est un milieu plus réfringent que l'air
2. À la recherche d'une loi mathématique :
Deux savants ont cherché à traduire le phénomène de réfraction de la lumière par une
loi mathématique entre l’angle d’incidence i (angle que fait le rayon incident avec la
perpendiculaire à la surface de séparation) et l’angle de réfraction r (angle que fait le
rayon réfracté avec la perpendiculaire à la surface de séparation.

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→ Pour Johannes Kepler, astronome allemand (1571-1630), l’angle d’incidence est
proportionnel à l’angle réfracté tant que les angles restent petits.
→ Pour René Descartes, philosophe, mathématicien et physicien français (1596 –1650),
c’est le sinus de l’angle réfracté qui est proportionnel au sinus de l’angle d’incidence.
D’après vous, lequel de ces 2 savants avait raison ?
3. Découverte du phénomène de réfraction :
Placez une paille dans un verre d'eau
a- Qu’est-ce que vous observez ?
b- À votre avis pourquoi ?
4. Flèche retournée :
- Placez les deux flèches imprimées sur la feuille derrière la coupe de champagne,
- Remplissez la coupe de champagne avec l’eau du robinet jusqu’à atteindre le
niveau de la première flèche.
a- Qu’est-ce que vous observez ?
b- À votre avis pourquoi ?
Explication :
Ici, la lumière traverse de l’air, puis du verre, puis de l’eau, puis à nouveau du verre et de
l’air pour enfin arriver à nos yeux. À chaque fois qu'elle passe d'un matériau à un autre,
la lumière est réfractée, ce qui peut créer une illusion d'optique.
5. Gomme invisible :
- Mettez une gomme dans le gobelet transparent,
- Mettez le gobelet dans la carafe remplie d’eau,
- Observez le contenu du gobelet en étant à ras de la carafe.
a- Voyez-vous la gomme ?
b- À votre avis pourquoi ?

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6. Pièce de monnaie cachée :
- Mettez une de monnaie au fond d’un bol,
- Mettez vous à une position dans laquelle vous ne voyez plus la pièce,
- Remplissez le bol avec l’eau du robinet tout en restant dans cette position,
c- Voyez-vous la pièce ?
d- À votre avis pourquoi ?
II) Création d’un arc en ciel :
1. Spectre visible :
Complétez avec : lambda, d’onde, rouge, violette, monochromatique, Ultra-violets,
nanomètres, Infras-Rouges, radiations.
Une lumière __________________ est aussi appelée « radiation », elle est caractérisée par sa
longueur _________________ λ (lettre grecque, prononcée « _______________ ») dans le vide
et mesurée en mètres.
L’œil humain ne voit pas toutes les __________________. C’est à dire qu’il ne perçoit que les
radiations comprises entre 400 __________________ (« nm » 10^-9 mètres), couleur
_______________ ; et 800 nm, couleur ________________, c’est le « domaine visible » ou « spectre
visible ». Les radiations dont la longueur d’onde est inférieure à 400 nm sont les
_____________________, les Rayons X et les Rayons Gamma; et les radiations dont la longueur
d’onde est supérieure à 800 nm sont les _________________ , les ondes radio..

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2. QCM :
1) La limite supérieure du domaine visible correspond à la longueur d'onde :
 450 nm  550 nm  650 nm  800 nm
2) Cette limite sépare :
 Le visible de l'infrarouge
 le visible de l’Ultraviolet
Le visible du domaine radio
3) Dans milieu transparent, homogène et isotrope :
 La vitesse de la lumière est inférieure à celle du vide
 La vitesse de la lumière est supérieure à celle du vide
 La vitesse de la lumière est identique à celle du vide
3. Notre expérience :
- Remplissez la carafe à moitié d’eau du robinet
- Mettez le miroir dans la carafe d’eau incliné à 45° environ
- Allumez la lampe de poche et dirigez sa lumière vers le miroir
- Utiliser la feuille de papier blanc pour recevoir le reflet de la lumière sur le miroir
- Faites varier la position de la lampe de poche afin d’avoir un arc en ciel projeté
sur la feuille de papier.
D’après vous, quelles ressemblances avec l'arc-en-ciel ?
4. Explication de l’expérience :
Complétez par : irisée, décomposée, nuage, tache, expérience, l'observateur,
positions.
La lumière de la lampe (blanche comme celle du soleil) est _______________ en lumières
colorées par l'eau (il pleut quand on observe un arc-en-ciel) et on ne voit la tache
_______________ que dans certaines _______________ de l'eau.
De même on ne voit l'arc-en-ciel que dans certaines conditions (positions du soleil,
du _______________ et de __________________ , le dos au soleil).
Ce ne sont pas, dans cette _____________________, des conditions d'observation directe
comme pour l'arc-en-ciel puisqu'on utilise un papier pour observer la ______________ .