Physique, chapitre 03 - Réfraction, dispersion

Sciences physiques
Chapitre 03
CH03 Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
Réfraction et dispersion dans
l’atmosphère.
I- Réfraction de la lumière (en
relation avec le TP physique N°
4).
1)- Mise en évidence.
2)- Définition.
3)- Première loi de Descartes.
4)- Deuxième loi de Descartes.
5)- Indice de réfraction.
III- Réfraction de la lumière dans
l’atmosphère terrestre.
1)- L’arc-en-ciel.
2)- Les mirages.
3)- La position des Astres.
II- Dispersion de la lumière blanche
par un prisme.
1)- Le phénomène de dispersion.
2)- Explication :
IV- Applications.
1)- QCM. QCM Questy
2)- Exercices :
Exercices :
a)- Exercice 3 : Indice de
réfraction.
b)- Exercice 4 : De l’eau dans l’air.
c)- Exercice 7 : L’arc-en-ciel.
d)- Exercice 8 : Les mirages.
e)- Exercice 10 : Exploiter une
expérience de dispersion.
f)- Exercice 14 : Construire et
exploiter une représentation
graphique.
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CH03 Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
I- Réfraction de la lumière (en relation avec le TP physique N° 4).
1)- Mise en évidence.
Expérience : laser + cuve à eau.
- Observations : on constate que le faisceau lumineux change brusquement de direction quand il
franchit la surface de séparation air – eau.
2)- Définition.
On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subit à la traversée de la
surface de séparation entre deux milieux transparents.
3)- Première loi de Descartes.
-
-
Vocabulaire :
SI : rayon incident et IR rayon réfracté.
- I : le point d’incidence.
- NI : normale à la surface de séparation.
- Le plan d’incidence : on appelle plan d’incidence, le plan qui contient : le rayon incident (SI) et la
normale (NI) au point d’incidence I.
- Énoncé de la première loi de Descartes : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.
-
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4)- Deuxième loi de Descartes.
L’angle de réfraction i 2 est généralement différent de l’angle d’incidence i1.
- Lorsque l’on trace sin i 1= f (sin i 2), la courbe obtenue est une droite qui passe par l’origine. En
conséquence :
- sin i 1 = k sin i 2
- Ceci constitue la deuxième loi de Descartes.
-
5)- Indice de réfraction.
-
Pour une radiation donnée, un milieu transparent homogène est caractérisé par un indice de réfraction
n.
-
Relation :
n : indice de réfraction
c : vitesse de la lumière dans le vide en m / s
v : vitesse de la lumière dans le milieu transparent en m / s
Remarque : comme c ≥ v alors n ≥ 1
- Retour sur la relation précédente : sin i1= k sin i2
- Question : Que représente la grandeur k ?
- Le rayon lumineux passe du milieu 1 d’indice n1 au milieu 2 d’indice n2.
- Le coefficient k représente le quotient de l’indice de réfraction du milieu 2 et de l’indice de réfraction
du milieu 1.
-
-
On écrit :
La deuxième loi de Descartes s’écrit :
n1 . sin i1 = n2 . sin i2 (1)
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II- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.
1)- Le phénomène de dispersion.
-
La dispersion de la lumière blanche est la séparation des différentes radiations lors de la réfraction.
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2)- Explication : Schéma.
Lorsqu’une lumière arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions : une sur la face d’entrée et une
sur la face de sortie.
- Deuxième loi de la réfraction : n 1 . sin i 1 = n 2 . sin i 2 (1)
- Le trajet d’une radiation dépend de l’indice du prisme car l’angle d’incidence est le même pour les
différentes radiations qui constituent la lumière blanche.
- Le trajet d’une lumière dans le prisme dépend de sa couleur. Or ce trajet dépend de l’indice du prisme.
- En conséquence, l’indice de réfraction du prisme dépend de la longueur d’onde dans le vide de la
radiation qui le traverse.
- L’indice de réfraction d’un milieu transparent dépend de la longueur d’onde (dans le vide) de la
radiation qui s’y propage.
- Exemple :
-
Radiation rouge
Radiation bleue
Verre ordinaire
n rouge = 1,510
n bleue = 1,520
Eau
n rouge = 1,330
n bleue = 1,336
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Avec cabri géomètre : figure prisme.
-
III- Réfraction de la lumière dans l’atmosphère terrestre.
1)- L’arc-en-ciel.
-
La formation de l’arc-en-ciel s’interprète par la dispersion de la lumière solaire dans les gouttes de
pluies.
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1 : le faisceau de lumière blanche issue du Soleil arrive à la surface d’une goutte d’eau en suspension
dans l’air.
-
- 2 : lors du changement de milieu transparent, passage air – eau, le faisceau de lumière se réfracte et ses
différentes radiations se dispersent.
-
3 : les radiations se réfléchissent au fond de la goutte d’eau.
4 : en sortant de la goutte d’eau, les radiations subissent une nouvelle réfraction, lors du passage eau –
air, cette deuxième réfraction accentue l’étalement des couleurs.
-
-
Pour observer un arc-en-ciel, il faut avoir la pluie devant soi et le Soleil dans le dos.
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/optiqueGeo/arc_en_ciel/arc_en_ciel.html
http://www.youtube.com/watch?v=0fTAF6HVwVA
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2)- Les mirages.
En été, sur les routes chauffées par le Soleil, on peut avoir l’impression de voir des flaques d’eau au
loin.
- Lorsque l‘on s’approche, ces flaques disparaissent. Cette illusion d’optique est un mirage.
-
La température de l’air n’est pas homogène. Au niveau du sol, la température de l’air est plus élevée, et
elle diminue avec l’altitude.
- L’indice de réfraction de l’air diminue lorsque la température augmente.
- Les rayons de lumière provenant d’un objet traversent des couches d’air d’indices différents et
subissent des réfractions successives, jusqu’à un angle limite au-delà duquel ils sont réfléchis (ils
subissent une réflexion totale).
- Un observateur a l’impression de voir l’objet dans la direction des rayons qui atteignent son œil.
-
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3)- La position des Astres.
La réfraction de la lumière dans l’atmosphère donne du Soleil une image aplatie lorsqu’il est proche de
l’horizon.
-
À cause de la réfraction, le Soleil, la Lune ou les étoiles peuvent être visibles au-dessus de l’horizon
alors qu’en réalité ils sont déjà couchés ou pas encore levés.
-
- Le Soleil est perçu au-dessus de sa position réelle par l’observateur. Cela allonge la durée du jour. On
voit le Soleil avant qu’il soit levé ou après qu’il soit couché.
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IV- Applications.
1)- QCM.
Figu
res
énoncé
1
2
3
4
5
Le
changement
de direction
d’un faisceau
lumineux
passant d’un
milieu de
propagation à
un autre est
appelé :
Pour deux
milieux
d’indices
différents, une
réfraction peut
être
schématisée
par :
Sur la figure
1, l’angle
d’incidence
est l’angle :
Sur la figure
1, I est
appelé :
Sur la figure
1, la droite en
pointillés est
appelée :
A
B
C
réponse
Réflexion
Spectre
lumineux
Réfraction
C
C
α
β
γ
A
La normale
Le point
d’incidence
L’angle de
réfraction
B
La verticale
Le faisceau
incident
La normale
C
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8
9
10
Avec les
notations de la
figure 2, la loi
de SnellDescartes
relative aux
angles peut
s’écrire :
Avec les
notations de la
figure 2, si i 1
= 42°, n 1 =
1,00 et
i 2 = 30° alors :
L’expérience
schématisée
sur la figure 3
montre que :
Un mirage :
CH03 Réfraction et dispersion dans l’atmosphère
BC
n 2 = 1,3
n 2 = 0,75
Le prisme est
dispersif
La lumière
solaire est
polychromatique
Est dû à la
réfraction de la
lumière dans l’air
Ne se produit
que quand il
pleut
La réfraction sur
le sol de la
lumière solaire
La dispersion de
la lumière
solaire dans les
gouttes d’eau de
pluie
Un arc-en-ciel
est dû à :
n 2 = 1,4
L’indice de
réfraction de
l’air est
supérieur à 1,5
Montre que la
lumière solaire
est
polychromatique
La réflexion de
la lumière
solaire sur les
gouttes d’eau de
pluie
A
AB
A
B
2)- Exercices :
a)- Exercice 3 : Indice de réfraction.
b)- Exercice 4 : De l’eau dans l’air.
c)- Exercice 7 : L’arc-en-ciel.
d)- Exercice 8 : Les mirages.
e)- Exercice 10 : Exploiter une expérience de dispersion.
f)- Exercice 14 : Construire et exploiter une représentation graphique.
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