LA REFRACTION ET LA DISPERSION DE LA LUMIERE DANS L'ATMOSPHERE

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1 CH 03 LA REFRACTION ET LA DISPERSION DE LA LUMIERE DANS L'ATMOSPHERE????? A quoi est du un arc-en-ciel?????????? Pourquoi y a-t-il des mirages?????????? L'expérience d'archimède : Pourquoi voit on la pièce dans le verre quand on ajoute de l'eau??? (livre p 30) 1/9

2 I- La réfraction de la lumière 11- Le phénomène de réfraction TP N 3 Expérience : Cuve +eau + fluorescéine + LASER On observe le phénomène de réfraction quand on plonge un bâton dans l'eau : il nous apparaît cassé. La réfraction est le changement de direction de propagation d'une onde (ici lumineuse) passant d'un milieu de propagation à un autre 12- Les lois de la réfractions TP N 03 Les premières lois de la réfraction furent énoncés par le mathématicien persan Ibn Sahl en /9

3 Les lois de la réfraction furent redécouvertes beaucoup plus tard en Europe et cela a abouti à l'énoncé des lois de Snell-Descartes vers i r Lors du TP, on a tracé sin (i) = f(sin (r)). On obtient une droite qui passe par l'origine. On en déduit donc qu'il existe une relation de proportionnalité entre sin(i) et sin (r). De plus, le coefficient directeur de la droite vaut a= y 2 y 1 sin(i 2) sin(i 1) = =1,41 x 2 x1 sin (r 2) sin(r 1) Remarque : l'indice de réfraction de l'air vaut nair = 1,00 et l'indice de réfraction du plexiglas vaut nplexiglas = 1,40 3/9

4 Enoncés des lois de Snell Descartes ale rayon incident, le rayon réfracté et la normale au au point d'incidence sont contenus dans le même plan : le plan d'incidence. b- Les angles d'incidence i et de réfraction r sont liés par la relation : ni sin i = nr sin r où ni et nr sont des nombres sans unités, appelés indices de réfraction, qui caractérisent les milieux d'incidence et de réfraction L'indice de réfraction dépend de la nature du milieu transparent Dans le vide n = 1,00, dans l'eau n = 1,33, dans le verre n varie de 1,50 à 1,80 suivant la nature du verre et dans le plexiglas n = 1,40 Remarque : l'indice de réfraction est le rapport de la vitesse d'une onde monochromatique dans le vide sur la vitesse de cette même onde dans ce milieu n = c / v (où est la vitesse de l'onde dans le vide et v la vitesse de l'onde dans le milieu) II- POURQUOI UN PRISME DECOMPOSE LA LUMIERE BLANCHE? Expérience : Source de lumière blanche, lentille, diaphragme et prisme On observe la figure suivante quand une lumière blanche traverse un prisme. Rouge Orange Jaune Vert Bleu Indigo Violet Q1- On dit que le prisme décompose la lumière blanche. Pourquoi? Car le prisme permet de voir toutes les lumières colorées (donc toutes les longueurs d'onde) qui composent la lumière blanche. On en déduit que la lumière blanche est polychromatique car elle est composée de plusieurs lumières colorées (donc plusieurs longueurs d'onde) 4/9

5 Q2- Pourquoi le prisme permet-il de réaliser la dispersion de la lumière blanche? La dispersion de la lumière blanche par un prisme est du au fait que l'indice de réfraction du milieu dépend de la longueur d'onde de l'onde lumineuse. Pour un grande longueur d'onde (rouge), n est faible donc le rayon ne sera que faiblement dévié. En échange, pour une petite longueur d'onde (bleu), le rayon sera fortement dévié. La lumière blanche étant constituée d'une infinité de lumière, la variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde va permettre de séparer les différentes lumières colorées à l'aide du prisme Remarque :, n(λ 0 )= A+ B λ 20 où λ0 est la longueur d'onde dans le vide et où A (sans unité) et B (en mètre carré) caractérisent le milieu (Loi de Cauchy) III- La réfraction de la lumière dans l'atmosphère terrestre 31- L'arc-en-ciel A l'aide du dessin, ci-dessous, expliquez comment se forme un arc-en-ciel? Réponse La formation de l arc-en-ciel s interprète par la dispersion de la lumière solaire dans les gouttes de pluies. Pour observer un arc-en-ciel, il faut avoir la pluie devant soi et le Soleil dans le dos. 1) Un faisceau de lumière blanche issue du Soleil arrive à la surface d'une goutte d'eau. 2) En changeant de milieu, ce faisceau se réfracte, Ses différentes radiations se dispersent. 3) Les radiations se réfléchissent sur le fond de la goutte d'eau. 4) En sortant de la goutte, elles subissent une nouvelle réfraction qui accentue l'étalement des couleurs. 5/9

6 32- Les mirages A l'aide des documents suivants, répondre aux questions : acomment se propage la lumière dans un milieu non homogène? bl'indice de réfraction de l'air dépend il de la température? Si oui comment évolue-t-il? cdonc si l'air situé à proximité du sol est plus chaud que l'air situé quelques mètre audessus, que se passe-t-il? Cela donne lieu à quel phénomène? ddonc si l'air situé à proximité du sol est plus froid que l'air situé quelques mètre audessus, que se passe-t-il? Cela donne lieu à quel phénomène? Réponses a- Dans un milieu non homogène la lumière ne se propage pas en ligne droite. b- Dans l'atmosphère, l'indice de réfraction de l'air dépend de la température: il augmente lorsque la température diminue. Cette variation d'indice provoque la courbure des rayons lumineux qui se propagent depuis un objet jusqu'à l'œil d'un observateur. C'est le phénomène de mirage. c- Ainsi, quand l'air près du sol est plus chaud que celui situé en altitude le trajet des rayons lumineux venant du ciel se courbe vers le haut Certains de ces rayons atteignent l'œil de l'observateur qui confond cette vision avec de l'eau. On parle alors de mirage chaud ou de mirage inférieur. d- Ainsi, quand l'air près du sol est plus froid que celui situé en altitude le trajet des rayons lumineux venant du sol se courbe vers le bas Certains de ces rayons atteignent l'œil de l'observateur : certains objets qui devraient nous être invisibles nous apparaissent. On parle alors de mirage froid ou de mirage supérieur. 6/9

7 IV- Compétences Les compétences à acquérir p 265 du livre (Loi de Snell Descartes) Notions et contenus Dispersion de la lumière blanche par un prisme. Réfraction. Lois de Snell-Descartes Compétences Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d une série de mesures et pour déterminer l indice de réfraction d un milieu. Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme. V- Exercices Exercice corrigé 5 p 266 Ex 6 p 266 et 23 p 270 Exercices polycopié (1, 8 et 10) 7/9

8 Ex 1 polycopié Ex 8 polycopié 1La lumière ne se propage pas en ligne droite car l indice de réfraction de l air n est pas le même partout. 2Le faisceau lumineux représenté subit des réfractions, en A comme en B. Ex 10 polycopié 1Le prisme doit être dispersif. 2a- Après la traversé du prisme, on observe la présence de radiations lumineuses de diverses couleurs. La lumière issue du Soleil est donc polychromatique. 2b- Sans le prisme, la lumière du Soleil se propagerait en ligne droite. La déviation la plus importante est observée pour le violet, la moins importante pour le rouge. 3a- La lumière rouge utilisée étant monochromatique, elle n est pas dispersée mais déviée. 3b- Ex 6 p 266 1Schématisation de la situation 2a- Représentation de sin i en fonction de sin r 8/9

9 2b- D après la seconde loi de Snell-Descartes, l angle de réfraction r n est pas proportionnel à l angle d incidence i : la représentation graphique de r = f(i) ne présente pas d intérêt. 3- Comme ni ni sin i, le rapport est égal au coefficient directeur de la droite nr nr obtenue graphiquement,soit 1,41. Le milieu de réfraction est l air, donc n r = 1, d où l indice de réfraction de l eau salée : ni = 1,41. sin r = Ex 23 p 270 1a- Enoncés des lois de Snell Descartes ale rayon incident, le rayon réfracté et la normale au au point d'incidence sont contenus dans le même plan : le plan d'incidence. b- 1b2a2b3- Les angles d'incidence i et de réfraction r sont liés par la relation : ni sin i = nr sin r où ni et nr sont des nombres sans unités, appelés indices de réfraction, qui caractérisent les milieux d'incidence et de réfraction Milieu d incidence : l air ; milieu de réfraction : l eau. i = = 50. n 1 sin r = air sin i= sin 50=0,57. Donc r = 35 neau 1,33 OC = OJ + JC et JC = IJ tan r = h tan r Donc OC = 1,0 + 1,8 tan 35 = 2,3 m. 9/9