Chapitre 3 : Décomposition de la lumière par un prisme

Chapitre 3 : Décomposition de la lumière par un prisme
I. Décomposition de la lumière blanche
1. Expérience de Newton
phare
lentille
diaphragme
prisme
écran
On observe sur
l'écran toutes les
couleurs de l'arc en
ciel.
Conclusion : la
lumière blanche est
formée de toutes ces
couleurs : elle est
polychromatique.
On appelle spectre la
figure colorée
obtenue sur l'écran.
2. Autres expériences
laser
prisme
lampe
au
sodium
écran
prisme
écran
Ces deux lumières ne sont pas décomposées : elles sont monochromatiques.
3. Longueur d'onde
Une couleur comporte un grand nombre de nuances. Chaque nuance est appelée radiation.
Ainsi, une lumière monochromatique est constituée d'une seule radiation.
Une radiation est caractérisée par une grandeur nommée longueur d'onde . C'est une longueur qui
s'exprime en m.
L'oeil humain est sensible aux radiations dont la longueur d'onde est telle que :
400 (bleu profond) ≤≤ 800 nm (rouge sombre).
Remarques :
λ < 400 nm : ultraviolets (dangereux) ; λ > 800 nm : infrarouges (détectés par notre peau : chaleur).
II. Etude de la réfraction
1. Définition
On appelle indice de réfraction n le rapport entre la célérité de la lumière dans le vide et la célérité de la
lumière dans le milieu transparent.
n=
c
v
C'est un nombre sans dimension. Exemples : nair ≈ 1 ; neau = 1,33. Remarque : n dépend de λ.
2. Mise en évidence
Au passage de la surface de séparation entre les deux milieux
d'indice de réfraction différent, la lumière change de direction.
On dit qu'elle est réfractée.
1/3
laser
eau colorée
Document OpenOffice.org sous Debian 6.0 le lun. 31 oct. 11
3. Lois de la réfraction. Étude expérimentale (cf TP)
normale
rayon
incident
î1 : angle d'incidence
î1
n1
^
D
î2
n2
rayon
réfracté
î2 : angle de réfraction
Première loi de Snell-Descartes :
Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans un même plan.
Ce plan est perpendiculaire à la surface de séparation : c'est le
plan d'incidence.
Deuxième loi de Snell-Descartes :
Le rayon incident et le rayon réfracté sont de part et d'autre de la
normale.
Troisième loi de Snell-Descartes :
n1.sin î1 = n2.sin î2
On appelle déviation l'angle D = î1 – î2.
base
III. Dispersion de la lumière blanche
face d'entrée
A : angle du prisme
face de sortie
A
Explication de la décomposition de la lumière :
➢ la lumière arrive sur la face d'entrée : elle est réfractée
➢ elle traverse le prisme en ligne droite
➢ elle est à nouveau réfractée quand elle sort par l'autre
face
➢ l'indice de réfraction du verre n dépend de la longueur
d'onde : plus  est petit, plus la déviation est grande.
Un prisme va donc permettre d'analyser une lumière polychromatique, ce que ne peut pas faire l'œil bien
qu'il perçoive les couleurs. Un prime est dispersif.
IV. Conséquences de la réfraction par l'atmosphère de la Terre
1. Les arc-en-ciel
Les gouttes de pluie en suspension dans l'air dispersent la lumière. Pour observer un arc-en-ciel, il faut
que le Soleil soit derrière nous et la pluie devant.
2. Les mirages
Il en existe de 2 types : les mirages chauds et les mirages froids.
3. La scintillation des étoiles et la position des astres
L'air n'a pas un indice de réfraction constant car il n'est pas homogène : on a l'impression de voir clignoter
les étoiles car leur lumière subit sans cesse des changements de direction de propagation.
Par phénomène de mirage, les astres peuvent parfois être encore visibles alors qu'ils sont passés sous
l'horizon !
2/3
Document OpenOffice.org sous Debian 6.0 le lun. 31 oct. 11
Exercices
Exercice 2 p 51
1. L'angle d'incidence est iair et l'angle de réflexion est iverre.
2. Le rayon d'incidence, le rayon réfracté et la normale sont dans le même plan, celui de la page.
nair .sin i air = n verre .sin i verre .
Exercice 8 p 52
1. La lumière ne se propage pas en ligne droite car l'indice de réfraction de l'air varie en fonction de
l'altitude.
2. En A et en B, la lumière subit une réfraction.
Exercice 9 p 52
i1
air
I
liquide
i2
i1 = 47° ; i2 = 33°
La loi de Snell-Descartes nous donne :
nair.sin i1 = nliquide.sin i2
De cette loi on peut déduire :
sin i 1
nliquide =n air .
sin i 2
On trouve ainsi l'indice de réfraction du liquide :
sin 47 °
nliquide =1,0.
=1,3
sin 33 °
Exercice 10 p 52
1. Un prisme est dispersif.
2. a. La lumière du Soleil est polychromatique car on observe plusieurs radiations à la
sortie du prisme.
2. b. Les radiations violettes sont les plus déviées.
3. a. Non car cette lumière n'est faite que d'une seule radiation.
3. b. On va seulement observer une déviation du faisceau lumineux.
Exercice 14 p 53
1
sin i1
1. On peut lire les angles directement sur le disque gradué
0,9
pivotant : i1 = 60° et i2 = 40°.
0,8
2. a. nair.sin i1 = n2.sin i2.
2. b. Voir ci-contre.
0,7
2. c. Le graphique obtenu est une droite linéaire : il y a
0,6
donc proportionnalité entre sin i1 et sin i2.
0,5
3. Puisque nair = 1,00, la relation du 2.a devient :
0,4
sin i 1
sin i1 = n2.sin i2. On en déduit que n 2=
. Nous
0,3
sin i 2
0,2
venons de montrer que la relation entre les deux sinus est
0,1
linéaire, il suffit donc de reporter les coordonnées d'un
0
0,54
≈1,35 .
point de la droite : n 2=
0
0,40
4. Compte tenu du fait que le dernier chiffre n'est pas
significatif, on peut en conclure que le liquide étudié est de l'eau.
3/3
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
sin i2
Document OpenOffice.org sous Debian 6.0 le lun. 31 oct. 11