Analyser la lumière avec un prisme - Document sans

Analyser la lumière avec un prisme
I. Problématique :
Analyser la lumière qui nous vient des étoiles consiste à la décomposer.
Pour la décomposer, on utilise un prisme :
On cherche à expliquer dans l’étude qui suit pourquoi un prisme décompose la lumière ?
II. Le phénomène de réfraction :
Définir ce qu’est la réfraction de la lumière :
Simulation de la réfraction de l’onde (Document powerpoint)
Dans ce document, la lumière est représentée par une
succession d’ondes (vagues) qui se déplacent parallèlement les
unes par rapport aux autres à une certaine vitesse.
A quoi correspond le rayon de lumière dessiné dans l’expérience
1 (réfraction) ?
Définir la réfraction.
D’après la simulation, qu’est-ce qui peut expliquer la réfraction ?
III. La loi de Descartes pour la réfraction :
1. Enoncé de la loi de Descartes :
dorénavant, pour se repérer, on appellera :
i : angle d’incidence
r : angle de réfraction
air
eau
René DESCARTES, Philosophe et savant français (1596-1650)
On lui attribue la loi de la réfraction (1637) qui fait intervenir le sinus de
l’angle d’incidence (sin i) et le sinus de l’angle de réfraction (sin r).
Cette loi affirme que dans le cas du passage de la lumière de l’air au
plexiglas,
nair . sin i = nplex . sin r
Remarque : Quelques années avant Descartes, un physicien hollandais nommé Snell avait également
affirmé la même chose.
2. Détermination de la vitesse de la lumière dans le plexiglas :
a. Dispositif expérimental et mesures :
Source
Déplacer l’ensemble plexiglas rapporteur de
façon à ce que l’angle d’incidence varie de 0° à
80° (de 10 en 10).
Rapporteur
i
Relever dans le tableau ci-dessous l’angle de
réfraction r pour chaque angle d’incidence i
puis calculer le rapport demandé.
Plexiglas
Précaution : Le faisceau doit arriver au centre
du rapporteur lorsqu’il atteint l’interface des
deux milieux (surface de séparation entre les
deux milieux)
r
Tableau de mesures :
i (°)
r (°)
sin i
sin r
0
10
20
30
40
50
b. Commenter le résultat obtenu pour la valeur du rapport
sin i
.
sin r
60
70
80
c. A partir de la loi proposée par Descartes proposer une expression de nplex en fonction de nair, sin i
sin i
et sin r ; calculer nplex en utilisant la valeur moyenne du rapport
déterminé
sin r
expérimentalement.
d. On rappelle que
v milieu 
vvide
où nmilieu est l’indice du milieu. Calculer la vitesse de la lumière
nmilieu
dans le plexiglas.
e. Dans les tables, on trouve pour la valeur de la lumière dans le plexiglas : v = 2,0×105 km/s.
Comparer à votre valeur expérimentale. La loi de Descartes est-elle vérifiée ?
IV. Réfraction et dispersion :
1. Observation :
Décrire ce qu’on obtient par réfraction d’un faisceau de lumière blanche arrivant avec un angle
d’incidence de 85°.
2. Interprétation :
La lumière produite par la source utilisée lors de l’expérience est de la lumière blanche. Elle est donc
composée d’une infinité de longueurs d’onde de couleurs différentes.
Qu’elle hypothèse peut-on formuler pour expliquer le phénomène observé ?
3. Application :
Un faisceau de lumière blanche est envoyé sur
un prisme de verre. Il arrive avec un angle
d’incidence i = 45,0° sur la surface air/verre du
prisme.
On s’intéresse à deux rayons lumineux
contenus dans ce faisceau : l’un bleu dont la
longueur d’onde est λb=440nm l’autre rouge
dont la longueur d’onde est λr=620nm.
a. A l’aide du graphique ci-contre, déterminer,
pour chacun des deux rayons rouge et bleu,
l’indice de réfraction nr et nb.
b. Calculer, pour chaque radiation, l’angle de réfraction r en utilisant la loi de Descartes.
Pour le rayon rouge :
c.
Pour le rayon bleu :
Des deux rayons, lequel est le plus dévié ?
Compléter le schéma suivant, sans respect
de la valeur des angles.
i
Faisceau de
lumière
blanche
d.
Qu’arrivent-ils à ces rayons lorsqu’ils
ressortent du prisme. Compléter le schéma
en dessinant approximativement leurs
trajectoires.
e. D’après l’étude menée, résumer en quelques phrases pourquoi un prisme disperse la lumière ?