Chp 3 refraction et dispersion de la lumiere

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 3_Réfraction et dispersion de la lumière
M.Meyniel 1/3
chapitre 3 : REFRACTION ET DISPERSION DE LA LUMIERE
L’étude indirecte de la composition des étoiles se base sur l’analyse de la lumière qu’elles émettent et
que l’on reçoit sur Terre. Ces travaux nécessitent donc une maîtrise des phénomènes liés à la lumière.
Or, lors de l’obtention du spectre de la lumière blanche à travers un prisme, nous avons pu observer
une déviation de la lumière ainsi qu’un étalement des couleurs.
Il convient donc de s’intéresser dorénavant à ces deux phénomènes.
Cf Activité Expérimentale 4.
I. Le phénomène de REFRACTION.
1. Mise en évidence expérimentale.
a. Faire un schéma représentatif de l’expérience, accompagné d’une ou deux phrases explicatives.
b. Noter votre observation principale.
c. En déduire une définition de la réfraction de la lumière.
Rq : La surface séparant deux milieux transparents différents constitue un dioptre. Ici, il s’agit d’un dioptre plan air/eau.
2. Les lois de la réfraction : les lois de Snell-Descartes (1637).
a. Faire un schéma agrandi au niveau de la zone de réfraction et annoter avec les termes suivants : rayon
incident, surface de séparation, normale, point d’incidence, rayon réfracté, angle d’incidence i, angle
de réfraction r, milieu d’indice ni & milieu d’indice nr.
b. 1ère loi de Descartes: A quel plan de l’espace appartiennent les rayons incident et réfracté ?
c. 2ème loi de Descartes: Lors d’une réfraction, le sinus de l’angle de réfraction r et le sinus de
l’angle d’incidence i sont proportionnels.
Traduire cette loi par une relation mathématique.
Rq : * n s’appelle l’indice de réfraction (ou indice optique). Il caractérise tout milieu transparent.
n est toujours supérieur à 1 et s’exprime sans dimension.
Ex : nair ≈ nvide = 1,00 neau = 1,33 nplexiglas = 1,50 nCd = 2,43
3. Application : lumière réfractée à travers un prisme.
Observation :
Lorsque la radiation monochromatique d’un LASER traverse un prisme, on observe sa déviation.
Interprétation :
Proposer une interprétation de cette observation en vous appuyant sur un schéma et les lois de la
réfraction.
Les lois de la réfraction permettent d’interpréter la déviation du rayon laser. Mais comment expliquer le spectre obtenu
dans le cas de la lumière blanche. On va donc étudier le phénomène de dispersion pour cela.
verre
air
air
LASER
air

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II. Le phénomène de DISPERSION.
Document 1 : Indice optique et longueur d’onde
Lorsque la lumière blanche traverse un prisme (ou un autre système
dispersif comme un réseau ou une goutte d’eau), elle se décompose en toutes
les couleurs qui la composent.
Plus la différence de déviation entre les radiations est importante, plus
le milieu est dit dispersif.
a. Comment appelle-t-on le phénomène de décomposition d’une lumière en ses différentes radiations, en
ses différentes couleurs ?
b. Donner une interprétation du graphique donné dans le document 1.
c. En justifiant, conclure sur la déviation relative d’une radiation bleue et d’une radiation rouge.
Document 2 : Le prisme : système dispersif des lumières polychromatiques
La propriété précédente permet d’expliquer l’obtention du spectre de la lumière blanche après passage au
travers d’un prisme en verre :
* La lumière qui traverse un prisme subit deux réfractions (cf I.3) :
- la première en entrant dans le prisme (dioptre air/verre),
- la seconde en sortant du prisme (dioptre verre/air).
D’après la seconde loi de Snell-Descartes : ni  sin(i) = nr  sin(r)
* Or, l’indice optique d’un milieu dépend de la longueur d’onde de la radiation (cf document 1). Et comme la lumière
est composée de plusieurs radiations, chacune d’entre elles n’est pas déviée de la même manière :
 Soit la première réfraction :
nair  sin(i) = nrouge  sin(rrouge)
nair  sin(i) = nbleu  sin(rbleu) or nbleu > nrouge donc rbleu < rrouge
Conclusion : La radiation lumineuse rouge est donc moins déviée que la radiation lumineuse bleue.
 Au cours de la seconde réfraction, une nouvelle déviation des radiations se produit. Les
courtes longueurs d’onde (les radiations bleues-violettes) sont, de nouveau, plus déviée que les grandes longueurs
d’onde (les radiations rouges). Les radiations sont alors encore plus écartées les unes des autres expliquant :
l’étalement du spectre de la lumière blanche en ses différentes couleurs qui la composent.
Rq : La formation des arcs-en-ciel s’expliquent aussi : les gouttes d’eau ont un indice optique différent de celui de l’air.
Elles constituent donc un système dispersif comme le prisme. Si la lumière traverse des gouttes d’eau, elle subit alors le
phénomène de dispersion.
d. Le document 2 corrobore-t-il la conclusion précédente ?
e. Faire un schéma permettant d’illustrer cet étalement de la lumière expliqué dans le document 2.
f. Quelles autres observations singulières peut-on relever dans la nature concernant la lumière ?
1,7
1,5
400 800 λ (nm)
n : indice optique
du cristal

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Conclusion : L’Homme a, de tout temps, observé les astres afin de se situer dans l’Univers. Pour
cela, il s’est intéressé à la lumière reçue depuis l’espace. Grâce aux progrès techniques et scientifiques,
l’Homme a pu établir des lois et des principes sur les phénomènes lumineux tels que la réfraction et la
dispersion.
Cette maîtrise a permis notamment d’établir une unité structurale dans l’Univers : l’élément chimique,
présent sous forme d’atomes, d’ions ou de molécules.
Ces éléments sont aussi bien présents sur Terre (et donc facilement analysables) que dans tout l’Univers (les
analyses lumineuses permettant des études indirectes).
Qu’est ce donc qu’un élément chimique ? Comment expliquer cette unité structurale ?
Ce sera l’objet du prochain cours au travers duquel nous établirons notamment la définition et la constitution
de l’atome.
Néanmoins, nous verrons plus tard que la lumière peut s’utiliser dans bien d’autres domaines que pour
étudier l’Univers : elle est notamment utilisée dans la Santé pour analyser et soigner …
Compétences exigibles
- Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.
- Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour
déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.
Fzed
Exercice 1 : On considère une surface plane de séparation air/plexiglas (n = 1,50). Un rayon arrive
sur cette surface en faisant un angle de 60,0 ° avec la surface.
1. Faire le schéma.
2. Tracer la normale à la surface et faire figurer l’angle d’incidence que l’on calculera.
3. Calculer l’angle de réfraction r puis tracé le rayon lumineux.
4. Discuter du cas où l’angle d’incidence est nul.
Exercice 2 : Un chimiste qui a récupéré un liquide huileux composé d’eugénol, molécule aromatique
des clous de girofle, souhaite connaître l’indice de réfraction narôme de cette arôme.
Pour cela, il envoie un mince faisceau de lumière jaune qui arrive de l’air sur le liquide huileux étudié avec
un angle d’incidence de i = 40,0°. L’angle de réfraction vaut alors r = 25,5°.
Il est à noter que la lampe utilisée pour émettre la lumière jaune indique la valeur λNa = 589 nm.
1. a. Faire un schéma annoté de la situation.
b. Rappeler la seconde loi de Snell-Descartes et calculer l’indice de l’eugénol narôme.
2. a. A quoi correspond la valeur lue sur la lampe ?
b. La lumière utilisée est-elle polychromatique ? Justifier.
c. Préciser si cette lumière peut subir une dispersion, une décomposition.