Réfraction et dispersion de la lumière

Les étoiles
L’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur
température et leur composition. Cette analyse nécessite l’utilisation de systèmes
dispersifs.
L’Univers
Chapitre 8
Réfraction et dispersion de la lumière
Seconde
Pré-requis :
- dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage de façon rectiligne
- pour voir un objet, il faut que l’œil reçoive de la lumière de cet objet
- un prisme ou un réseau permet de décomposer la lumière blanche
Objectifs :
- savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation
monochromatique
- 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
I - Réfraction de la lumière
La réfraction de la lumière est le changement de direction subi par un rayon lumineux
lorsqu’il traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents différents,
le dioptre.
Le rayon lumineux qui arrive sur le dioptre est appelé rayon incident. De l’autre côté
de la surface, il donne un rayon réfracté.
Le plan d’incidence est le plan contenant le rayon incident et la perpendiculaire à la
surface (ou normale).
L’angle entre la normale et le rayon incident s’appelle l’angle d’incidence.
L’angle entre la normale et le rayon réfracté s’appelle l’angle de réfraction.
L’indice de réfraction caractérise l’aptitude d’un milieu transparent à dévier un
faisceau de lumière monochromatique et est égal au rapport des vitesses de
propagation de la lumière dans le vide (c) et dans le milieu considéré (v). C’est un
nombre sans unité et il est noté n.
n=
n = 1 pour le vide et pour l’air ; n > 1 pour un milieu transparent
II - Les lois de la réfraction (ou lois de Snell - Descartes)
Première loi :
le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans le même plan, appelé plan
d’incidence.
Schéma de la réfraction
Deuxième loi :
lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu transparent 1, d’indice n 1, à un milieu
transparent 2, d’indice n2, l’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 vérifient la
relation suivante :
n1 sin i1 = n2 sin i2
III - Réflexion totale
Dans le cas où l’indice de réfraction du milieu d’incidence est supérieur à celui du
milieu de réfraction (n1 > n2), il existe une valeur de l’angle d’incidence au-dessus de
laquelle on ne peut plus déterminer une valeur de l’angle de réfraction : cet angle est
appelé angle limite. On n’observe alors plus de phénomène de réfraction mais une
réflexion totale.
IV - Le prisme
Un prisme utilisé en optique est taillé dans un matériau transparent comme le verre
ou le Plexiglas. Il comporte trois faces planes rectangulaires et 2 faces planes
triangulaires.
On représente le prisme par un triangle.
Schéma du prisme
V - Dispersion de la lumière blanche par un prisme
La lumière blanche est composée d’un ensemble de lumières de couleurs
différentes : les radiations monochromatiques.
Chaque radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur d’onde dans le
vide, symbolisée par la lettre grecque lambda (λ), et dont l’unité est le mètre.
L’indice de réfraction d’un milieu transparent (sauf pour le vide et l’air) dépend de la
longueur d’onde de la lumière. Un tel milieu est un milieu dispersif.
Le cristal (flint) est plus dispersif que le verre ordinaire (crown)
Le matériau transparent dans lequel est taillé un prisme est un milieu dispersif. Le
prisme disperse la lumière blanche.
Dispersion de la lumière par un prisme