le prisme

Manipulation optique O.1 : prisme
Manipulation Optique 1 :
O1.1.
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le prisme
BUT DE LA MANIPULATION
La manipulation consistera principalement à relever l'angle de déviation d'un rayon lumineux en
fonction de l'angle d’incidence après passage de celui-ci dans un prisme en verre. Ceci permet
alors de déterminer l'indice de réfraction du verre utilisé dans la fabrication du prisme, pour la
lumière LASER utilisée.
Dans la deuxième partie de la manipulation, le phénomène de dispersion sera examiné en
observant la décomposition de la lumière blanche après son passage dans le prisme.
O1.2.
RAPPELS THEORIQUES
Ö à préparer avant la manipulation
Relire et résumer le paragraphe "passage de la lumière par un prisme" vu au cours.
Ö reproduire le schéma de déviation d'un rayon lumineux (lumière monochromatique) et
rappeler les 4 formules du prisme.
O1.3.
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Le prisme en verre est placé sur une feuille de papier blanc A3, elle-même posée sur un support
en bois. Le prisme sera alors éclairé en lumière LASER. Le LASER délivre une lumière
monochromatique (rouge @ λ = 632,8 nm), directionnelle et cohérente. Le faisceau LASER est
alors étendu verticalement après passage à travers une lentille cylindrique de façon à être
intercepté par les objets rencontrés et constituer une droite sur la feuille blanche, symbolisant
ainsi un rayon lumineux.
On utilisera un rapporteur pour mesurer les angles: angles d'incidence et angles de déviation.
O1.4.
MANIPULATION
O1.4.1. Schématisation du dispositif expérimental
Schématisez le dispositif expérimental : appareillage utilisé, grandeurs fixées : positionnement
du prisme, λ du LASER, …
Pourquoi est-il important de noter la longueur d'onde de la lumière utilisée dans la manipulation?
O1.4.2. Mesure de la déviation en fonction de l’angle d’incidence
2 i
D
Figure 1 : schéma du trajet d’un rayon lumineux dans un prisme
Manipulation optique O.1 : prisme
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• Posez le grand prisme (section = triangle équilatéral) avec angle au sommet A = 60° sur la
feuille blanche. Envoyez le rayon LASER sur une des faces et identifiez les rayons : incident,
réfléchi, émergent (= réfracté 2×). ATTENTION : ce prisme possède une de ses 3 faces non
polie Ö bien positionner le prisme sur la feuille.
Schématisez dans votre rapport le prisme ainsi que TOUS les rayons lumineux qui y
parviennent ou en ressortent, y indiquer les angles i, r, r', i' et D tels que vus au cours.
Ö bien EXPLIQUER ce schéma.
• Posez alors le petit prisme équilatéral, puis le prisme isocèle. Décrivez vos observations.
MESURES : utiliser le grand prisme (A = 60°)
• Sur la feuille de papier A3, tracez une droite fixant la position du rayon incident, et d'autres
droites (séparées ou non, à votre convenance) que devra suivre successivement le rayon réfléchi
sur la 1ière face du prisme sachant que l’angle entre le rayon incident et le rayon réfléchi variera
de 70° à 150° (cfr tableau 1). Quel est l’angle d’incidence correspondant ?
Que valent les erreurs sur les angles 2i et i ?
• Replacez la feuille sur le support en bois et posez le prisme On fera alors varier l’angle
d’incidence en faisant pivoter le prisme, de manière à faire coïncider le rayon réfléchi avec les
droites tracées. Pour chaque position du rayon réfléchi, repérez et marquez quelques points sur le
passage du rayon émergent, tracer le rayon émergent et mesurer D, l’angle de déviation.
• Porter en graphique l'angle de déviation en fonction de l'angle d'incidence : D=f(i), en utilisant
du papier graphique linéaire et en n’oubliant pas d’indiquer les barres d’erreur (dues
essentiellement à la largeur du faisceau et à l'instrument de mesure : le rapporteur).
Ö Tracer la meilleure courbe.
• A partir de la courbe tracée sur le graphique, déterminez Dmin. Il s'agit donc d'une
détermination graphique. Estimez l’erreur sur cette grandeur : εDmin.
• Calculer l’indice de réfraction du verre constituant le prisme ainsi que l’erreur commise (εn).
Tableau 1
Angle 2i
70°
Angle i
Angle D
Pour rappel :
80°
90°
95°
100°
105°
110°
115°
120°
130°
140°
150°
sin
n=
FG A + D IJ
H 2 K
min
sin
A
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O1.4.3. Condition d’émergence
• Recherchez expérimentalement c-à-d l'angle d'incidence à partir duquel un rayon émerge du
prisme. Que se passe-t-il pour les angles d'incidence plus petits ?
A partir du graphique tracé, déduire l'angle de déviation correspondant à l'angle d'incidence
limite mesuré.
• Calculez la valeur attendue théoriquement pour ces 2 angles : angle d'incidence limite pour
lequel il y a émergence et angle D correspondant.
• Comparez résultats de mesures & valeurs calculées.
O1.4.4. Phénomène de dispersion
Pour observer le phénomène de dispersion, on a besoin d'une source de lumière
polychromatique. Le LASER est alors remplacé par une lampe à lumière blanche (spectre
continu) dont on définira un mince faisceau vertical.
Observez la dispersion des couleurs. Pour un angle d'incidence de 60°, mesurez l'angle de
déviation pour le rouge et le bleu. Quelle couleur est la plus déviée ?
Expliquez vos observations (rappeler notamment la variation théorique de n avec λ).