Plan du montage

Montage n°1
Expériences portant sur la réfraction de la lumière;
applications
A - Plan du montage
I - Les lois de Descartes
1/ Première loi
2/ Deuxième loi
II - La réfraction selon la nature des deux milieux du dioptre
1/ Cas où le second milieu est plus réfringent que le premier
2/ Cas où le second milieu est moins réfringent que le premier
Notion de réfraction limite, réflexion totale et angle limite.
3/ La dispersion
III - Applications
1/ les lentilles
2/ Le prisme: dispersion et spectroscopie
3/ Le mirage
1
Montage de physique n°1
B - Matériel
 1 banc d’optique
 1 lampe quartz-iode
 1 condenseur
 1 laser He-Ne
 1 disque d’optique
 1 demi-cylindre
 1 lentille cylindrique
3
 1 ballon de 100 cm
 1 anneau
 1 noix
 1 potence
 1 prisme
 2 lentilles convergentes f’=200mm
 3 cuves transparentes
 éthanol
(I)
(I)
(I)
(I)
(I)
(I)
(I)
(I)
 agitateur
 chlorure de sodium
 Permanganate de potassium
 Sulfate de cuivre
 Dispositif avec la lentille plan-convexe et sa source
 Dispositif avec la lanterne et ses accessoires
 Lampe à vapeurs de mercure
2
Montage de physique n°1
C - Détail
Introduction
Quand on plonge un bâton dans un verre à moitié rempli d’eau, on constate une cassure de la
représentation qu’on reçoit dudit bâton. Ceci est dû à un phénomène optique qui s’appelle la réfraction,
phénomène qu’on va ici étudier plus en détail.
I - Les lois de Descartes
La physique de la réfraction fait appel à deux lois, qui sont les lois de Descartes.
1/ Première loi
ENONCE: les faisceaux incident et réfracté sont dans le plan d’incidence, lequel plan est défini comme
le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre au niveau du point
d’incidence.
Pour ceci on utilise le laser (sans la lentille cylindrique), ainsi que le disque optique
et le demi-cylindre. Au passage on parle du faisceau réfléchi.
2/ La deuxième loi
ENONCE: les rayons incident et réfracté font avec la normale les angles resp. i et i’ tels que:
n sin i= n’ sin i’.
si n est l’indice du milieu du rayon incident et n’ l’indice de l’autre milieu.
Avec n=1 (air) et n’=1,5 (Plexiglas), en traçant sin i=f(sin i’) on doit obtenir une droite
de pente n.
(Présentation: deux couples de points).
II - La réfraction selon les natures des milieux constituant le dioptre
1/ Cas où le second milieu est plus réfringent que le premier
Il existe toujours un rayon réfracté, mais il existe un angle de réfraction limite.
2/ Cas où le second milieu est moins réfringent que le premier
Grâce au principe du retour inverse de la lumière et la forme du dispositif on peut
réaliser ce cas. On a alors, si i est trop grand, le phénomène de réflexion totale. On peut
alors retrouver l’angle de réflexion limite.
Si on peut, faire une mesure quantitative pour 1/ et 2/, et comparer.
3/ La dispersion
On remplace le laser par la lampe quartz-iode. On recommence et on montre les
irisations.
III - Applications
1/ Les lentilles
Elles sont constituées d’un dioptre air-verre et d’un dioptre verre-air. En traversant
une lentille la lumière subit deux réfractions, ce qui permet de modifier la trajectoire des
rayons lumineux et donc de “déplacer” les objets optiques.
Expérimentalement on montre la convergence d’un faisceau parallèle (visualisation
d’une image à l’infini), et quelques associations, comme la lunette astronomique.
2/ Le prisme: permet de séparer les radiations
On utilise le phénomène de dispersion. Ceci est utilisé par exemple dans les
3
Montage de physique n°1
spectromètres, où le prisme porte le nom de monochromateur (sélection d’une seule
longueur d’onde).
Expérimentalement on réalise le spectre du permanganate de potassium et celui du
sulfate de cuivre en absorption et celui de la lampe à vapeurs de mercure (émission).
3/ Le mirage
C’est un phénomène qui apparaît quand il y a variation continue de l’indice d’un
milieu. Illustration avec le laser et une cuve avec un “mélange” eau-éthanol.
Grande conclusion
Nous venons de voir et d’illustrer le phénomène de réfraction optique. C’est un phénomène
très important puisqu’il apparaît dès qu’il existe un dioptre entre deux milieux transparents, i.e. partout
dans la nature, comme l’arc-en-ciel, les mirages. Les applications en sont nombreuses: fibre optique,
spectrométrie, et surtout les lentilles, utilisées de manière omniprésente en optique (yeux, télescopes).
4