Travaux Pratiques Etude de la réfraction de la lumière blanche

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Tiphaine Charpentier
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1 Travaux Pratiques Etude de la réfraction de la lumière blanche Niveau Lycée - Seconde Objectif Observer la réfraction de la lumière blanche et retrouver la loi permettant de relier le changement de direction de la lumière au changement d indice du milieu de propagation. Utiliser cette loi pour mesurer l indice de réfraction d un milieu homogène transparent. Appliquer cette étude à l observation des mirages. 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. Pré requis Compétences supposées acquises au collège : - Savoir qu il y a proportionnalité entre deux grandeurs lorsque la courbe représentative d une grandeur en fonction de l autre est une droite passant par l origine. - Savoir que la lumière se propage de façon rectiligne dans un milieu homogène et transparent. - Savoir qu un faisceau de lumière est invisible, et que pour le visualiser il faut utiliser de fines particules diffusantes (poussières, gouttelettes d eau, farine) Durée Activité : 1h 30 min Déroulement Le premier objectif de cette séquence sera d étudier la réfraction d un faisceau lumineux lors du passage de l air au plexiglas. Nous en déduirons une relation entre les sinus des angles d incidence et de réfraction. Puis nous appliquerons notre méthode pour mesurer l indice de réfraction d un milieu transparent, l eau. Enfin nous expérimenterons et expliquerons le phénomène des mirages à partir de notre étude sur la réfraction.

$1) La loi de Snell-Descartes Observer la réflexion et la réfraction de la lumière passant de l air à un dioptre en plexiglas puis mesurer les angles de réflexion et de réfraction à l aide du$

2 1) La loi de Snell-Descartes Observer la réflexion et la réfraction de la lumière passant de l air à un dioptre en plexiglas puis mesurer les angles de réflexion et de réfraction à l aide du rapporteur. Dioptre en plexiglas r i 1 i 2 Faisceau de lumière incident Compléter le tableau suivant : Angle d incidence i 1 Angle de réflexion r Angle de réfraction i 2 Sin i 1 Sin i

3 Puis tracer la courbe représentant le sinus de l angle d incidence en fonction du sinus de l angle de réfraction. Sin i ,2 0,4 0,6 0,8 1 Sin i 2 Que peut-on dire de l angle de réflexion par rapport à l angle d incidence? Comment est la courbe que vous avez tracée précédemment? Que peut-on en déduire? 2) Mesure de l indice d un milieu homogène transparent Nous allons utiliser la propriété trouvée ci-dessus pour déterminer l indice de réfraction de l eau du robinet. Pour cela nous allons utiliser la loi de Descartes sur la réfraction : n air sin i 1 = n eau sin i 2 Où n air est l indice de réfraction de l air, et n eau est l indice de réfraction de l eau que nous allons essayer de déterminer.

$Donner l expression littérale de l indice de réfraction de l eau$ $Sachant que l indice de réfraction de l air est environ égal à$ $lumineux et en déduire la valeur de l indice de réfraction de l$

4 Donner l expression littérale de l indice de réfraction de l eau en fonction de n air, sin i 1 et sin i 2. Sachant que l indice de réfraction de l air est environ égal à 1, mesurer l angle d incidence et de réfraction du faisceau lumineux et en déduire la valeur de l indice de réfraction de l eau. En utilisant les précédents résultats, expliquer ce que vous observez sur ces deux images.

3) Les mirages a) Mirages inférieur et supérieur Mirage supérieur Mirage inférieur Observer ces deux images montrant un faisceau

Quelle est l illusion qu aurait un observateur dans chacun des deux cas? Donner quelques exemples de mirages dans la vie courante.

Deux fois par an il est possible, si les conditions météorologiques le permettent, de voir cette montagne depuis Marseille, dans

5 3) Les mirages a) Mirages inférieur et supérieur Mirage supérieur Mirage inférieur Observer ces deux images montrant un faisceau laser traversant une cuve remplie d un liquide. Notez vos commentaires. Quelle est l illusion qu aurait un observateur dans chacun des deux cas? Donner quelques exemples de mirages dans la vie courante. b) Le mirage du Mont Canigou Le Mont Canigou est une montagne située dans les Pyrénées Orientales, près de Perpignan. Deux fois par an il est possible, si les conditions météorologiques le permettent, de voir cette montagne depuis Marseille, dans les Bouches-du Rhône. Compte tenu de la rotondité de la Terre, le trajet des rayons lumineux provenant du Mont Canigou ne devraient pas atteindre Marseille si la trajectoire était parfaitement rectiligne.

Photographie du Mont Canigou prise depuis les côtes catalanes à proximité de Perpignan. Photographie du Mont Canigou prise depuis Marseille, au coucher du Soleil.

Cette distance à l horizon est donnée par la formule suivante : d = 2 R h Où d est la distance à l horizon, R le rayon de la Terre et h l altitude du lieu considéré par rapport au niveau de la mer.

6 Photographie du Mont Canigou prise depuis les côtes catalanes à proximité de Perpignan. Photographie du Mont Canigou prise depuis Marseille, au coucher du Soleil. Pour nous persuader qu il s agit bien d un mirage nous allons déterminer ce que l on appelle l horizon géométrique, c est à dire la plus grande distance que l on puisse voir d un lieu donné. Cette distance à l horizon est donnée par la formule suivante : d = 2 R h Où d est la distance à l horizon, R le rayon de la Terre et h l altitude du lieu considéré par rapport au niveau de la mer. On prendra pour la suite R = 6380 km. Calculer cette distance si on se situe au sommet de Notre Dame de Lagarde à Marseille (altitude h = 300 m) : Puis au sommet du Mont Canigou (altitude h = 2784 m) : Sachant que la distance à vol d oiseau entre Marseille et le Mont Canigou est de 263,1 km, peuton dire que l image du coucher de Soleil vu précédemment est un mirage?

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