Réfraction. Bricotest : Observer la réfraction! L arc en ciel, un effet de la réfraction!

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1 Réfraction Le sous-marinier, observant par les hublots, va être victime d une illusion optique appelée réfraction. Ce phénomène survient lorsque la lumière change de milieu. Bricotest : Observer la réfraction! Prendre un récipient opaque, une tasse par exemple. Y déposer une pièce de monnaie. Se baisser de manière à ce qu on ne voie juste plus la pièce. Garder cette position et remplir progressivement la tasse d eau. Que se passe-t-il? La lumière a une vitesse qui dépend du milieu qu elle traverse. Dans l habitacle, sa vitesse vaut presque celle qu elle a dans le vide, soit c = [m/s]. Dans l eau, sa vitesse sera inférieure. On a répertorié, dans les tables de physique, le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans le milieu. On nomme ce rapport : indice de réfraction. Il se note n. c n = v L indice de l eau vaut 1,33. Cela signifie que la vitesse de propagation de la lumière dans l eau est 1,33 fois plus petite que celle dans le vide. L indice de réfraction du milieu dépend de la longueur d onde de la lumière (donc de sa couleur). Il vaut dans l eau 1,329 pour le rouge, contre 1,340 pour le bleu violacé. L arc en ciel, un effet de la réfraction! Faire passer un faisceau lumineux de lumière blanche dans un prisme de verre. Qu observe-t-on? Une animation et des explications sur : Maintenant nous sommes prêts pour comprendre le phénomène de l arc-en-ciel : Réfraction 1/6

2 Lorsque l on doit prévoir la déviation exacte du rayon, deux méthodes s offrent à nous : la loi de Snell-Descartes et la construction de Maxwell. La Loi de Snell-Descartes Cette première méthode est numérique : n 1. sin α 1 = n 2. sin α 2 n 1 et n 2 sont les indices de réfraction des deux milieux traversés alors que α 1 et α 2 sont les angles d incidence et de réfraction (cf. illustration 1). L application de cette formule nécessite l utilisation des fonctions trigonométriques. La Construction de Maxwell La seconde est une méthode par construction graphique : n =1 α 1 n 2 α Illustration 1 Marche à suivre 1. Prolonger le rayon incident et tracer un cercle de rayon proportionnel à l indice du rayon incident (vert). 2. Par l intersection du cercle (vert) et de la prolongation du rayon incident, tracer une perpendiculaire à la surface (noir). 3. Tracer un cercle dont le rayon est proportionnel à l indice du milieu réfractant (bleu). 4. Le rayon réfracté passe par l intersection de la perpendiculaire et du cercle (bleu). 2/6 Réfraction

3 Quizz : Cocher ce qui convient Lorsque la lumière arrive dans un milieu dont l indice de réfraction est plus élevé que celui du milieu incident, elle accélère. Dans cette situation : n 1 > n 2 n 1 < n 2 n 1 = n 2 ralentit. Pour attraper un poisson situé devant lui, un chasseur au harpon sur une berge doit viser : un peu plus près de lui que l endroit où il voit le poisson. dans la direction dans laquelle il voit le poisson. un peu plus loin de lui que l endroit où il voit le poisson. L angle de mon appareil n est pas assez grand pour photographier l arc-en-ciel en entier. Pour résoudre le problème : j avance. je recule. je dois changer d appareil, bouger ne sert à rien. Un problème... des solutions A) Quels poissons le sous-marinier peut-il voir par le hublot? Réfraction 3/6

4 B) A partir de quel endroit du sous-marin verra-t-on le visiteur qui fait signe de l embarcadère? Le sous-marin s éloigne en restant à la même profondeur. C) Le sous-marinier voit, au centre de son hublot, le centre d un des wagons coulés en 1859 lors de son transport sur le lac Léman. Il se tient à 30 cm du hublot et voit le wagon en entier sous un angle de 36. A quelle distance du hublot se trouve le wagon, sachant que ce dernier mesure 6,5 m de long? On admet que le wagon est positionné perpendiculairement au hublot. D) Du donjon du château de Chillon, Mathilde croit distinguer les projecteurs d un sous-marin Mir. Elle estime qu elle baisse alors le regard de 25 par rapport à l horizontale et que le sous-marin navigue à une profondeur de 20 m sous la surface. De retour chez elle, elle lit dans son encyclopédie que le donjon culmine à 28 m au-dessus de l eau. A quelle distance le sous-marin était-il du pied du donjon? L optique est l étude de la lumière. Les phénomènes que nous étudions à l école sont la propagation rectiligne de la lumière, la réflexion et la réfraction, dont une des applications est les lentilles. On traite ces sujets avec l optique géométrique. D autres phénomènes plus complexes sont étudiés à l EPFL, telle l optique non linéaire aboutissant à des applications comme le laser ou encore l imagerie biomédicale /6 Réfraction

5 Expérience pour comprendre les mirages Fabriquer une installation qui permette d expliquer comment survient un mirage. Matériel Une cuve transparente De l eau tiède (pour favoriser la dilution du sucre) Du sucre en poudre Un tuyau métallique percé Un tuyau souple que l on puisse raccorder à un entonnoir et au tuyau métallique Un pointeur laser De la fluorescéine ou une tombée de lait pour mieux observer le faisceau laser Dispositif selon une idée de J.-P. Girard Montage Fixer au fond du bac le tuyau métallique. Remplir la cuve à moitié d eau. Reprendre le remplissage de la cuve par l entonnoir avec de l eau sucrée cette fois-ci. Ne surtout pas mélanger l eau. Le but est d obtenir un gradient (variation) du taux de sucre le plus élevé possible. Découverte du phénomène Observer la trajectoire des rayons lumineux dans la cuve. En déduire l explication du mirage. Réfraction 5/6

6 Construire un diffractomètre Matériel Une cuve transparente à laquelle est fixée une règle ou une graduation Viseur, tube, règle Différents liquides à tester Découverte du montage Placer le viseur dans une position fixe pointée sur l une des graduations de l autre côté du bac. Relever la graduation visible sur l arrière du bac dans la direction de visée. Remplir la cuve de liquide. Relever la graduation visible sur l arrière du bac dans la direction de visée. Qu observe-t-on? Etalonnage Grâce à la construction de Maxwell ou la loi de Snell-Descartes, établir une graduation que l on fixe à l arrière du bac. Elle nous indiquera, pour l angle de visée fixe, l indice de réfraction du liquide qui est placé dans le bac. Utilisation Tester la graduation donnant l indice sur d autres liquides comme de l huile (n = ~ 1,47) par exemple. Etudier l effet du sel sur l indice de réfraction de l eau. Faire de même avec une solution plus ou moins sucrée. 6/6 Réfraction