Pourquoi les océans sont bleus?

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1 Partie A : La réflexion (Photo Nausicaà) Pourquoi les océans sont bleus? La lumière qui nous parvient du soleil après un voyage dans l espace est dite «blanche». Cependant, la plupart du temps la mer nous apparait bleue comme le ciel. Le reflet du ciel dans l eau est présenté comme une explication à la couleur des océans. L étude suivante doit permettre de valider ou non cette explication. Consulter le dossier documentaire 1 en page On a représenté ci-dessous un rayon lumineux venant frapper la surface de la mer : a. Reporter sur le schéma les numéros correspondants aux définitions données ci-dessous Air Eau de mer Un rayon incident est un rayon issu d une source lumineuse. Dioptre : surface de séparation de 2 milieux transparents. Le point d incidence est le point de contact d un rayon lumineux incident avec une surface. 4 La normale à une surface est la perpendiculaire à cette surface. b. Réaliser le TP en annexe 1 pour trouver la relation entre l angle incident et l angle réfléchi. c. Compléter le schéma ci-dessus, en représentant le rayon réfléchi observé. 2. Le sel contenu dans l eau est-il responsable de la couleur bleue de la mer?...non l eau du lac d eau douce est bleue 3. Donner 2 arguments montrant que la réflexion des rayons ne peut être la seule explication à la couleur bleue de la mer :...La couleur de l eau peut dépendre de sa teneur en particules..(turbidité) ou de la couleur grise apportée par les nuages Une partie des rayons lumineux est réfléchie par la surface de l eau, une autre partie pénètre dans l eau (ce sont des rayons réfractés), à l aide du dispositif réalisé à la question 1.b. dire si le rayon lumineux incident passant de l air à l eau donne toujours un rayon réfléchi et un rayon réfracté quelque soit l inclinaison de la source lumineuse? Le rayon lumineux passant de l air à l eau donne toujours un rayon réfléchi et un rayon réfracté 1

2 Partie B : La réfraction. (Photo : site internet Une partie de la lumière est réfléchie tandis qu une autre partie du rayonnement entre dans la mer en étant déviée, on dit que les rayons sont réfractés. L angle de réfraction dépend des indices de réfraction des milieux traversés. L indice de l air a pour valeur : n 1 = 1. Quelle est l indice de réfraction de l eau de mer? Consulter le dossier documentaire 2 en page Afin de déterminer l indice de réfraction de l eau de mer, on propose de trouver et réaliser un protocole expérimental à l aide de la fiche TP en annexe Calculer l angle de réfraction, au degré près, si l angle du rayon incident est de 45, (utiliser l indice de réfraction trouvé grâce au logiciel géogébra). n 1 sini 1 = n 2 sini 2 sini 2 = n 1 sini 1 = I 2 = 31, n 2 1 sin45 1, 342 =, Tracer le rayon réfracté sur le schéma ci-dessous Air 32 Eau de mer Partie C : Que devient le rayonnement une fois dans l eau de mer? Dans la «Salle des coraux», on peut observer des coraux dans un aquarium éclairé de lumière bleue simulant l éclairage des fonds marins à une profondeur atteignant une centaine de mètres. Pour quelle raison les derniers rayonnements visibles dans les profondeurs sont bleus? 2

3 Consulter le dossier documentaire 3 en page Est-il juste de dire qu au moins deux tiers de la surface terrestre sont recouverts par les océans?...71% =,71 2/3 =.67 donc plus des 2 tiers sont des océans Donner 3 exemples de couleurs de rayonnements contenues dans la lumière blanche....bleu rouge vert jaune D après l article de Futura environnement, quelles sont les 2 phénomènes que subit la lumière réfractée dans l eau?...l absorption et la diffusion À propos de l absorption : quelle couleur du spectre visible de la lumière blanche est absorbée par l eau dès les premiers mètres? Le rouge.. quelle couleur du spectre visible de la lumière blanche est la moins absorbée par l eau et sera la plus visible avec la profondeur?.le bleu 5. À propos de la diffusion : Quelle est la couleur du rayonnement qui sera la plus visible? (Justifier la réponse) rouge bleu Le plus car les autres couleurs sont rapidement absorbées par l eau que la lumière s enfonce plus profondément 6. Expliquer pour quelles raisons les océans apparaissent bleus?...les océans apparaissent bleus grâce à 3 phénomènes : La réflexion du ciel bleu à la surface de l eau quand les conditions le permettent, la diffusion importante et dominante de la couleur bleue par les molécules d eau et l absorption rapide des autres couleurs que le bleu dans l eau. 7. Pour quelle raison la Terre est appelée : «la planète bleue»?. La terre étant recouverte à 71% par les océans, sa couleur dominante dans l espace est le bleu. 3

4 ANNEXES 1 : La Réflexion, une approche quantitative. À propos du phénomène de réflexion, sur un blog un internaute affirme : que l angle de réflexion est égale à l angle incident quelque soit la salinité de l eau. Un autre affirme que : «Si on additionne l angle incident avec l angle réfléchi on obtient toujours 9». Non dit un troisième, l angle de réflexion est le double de l angle Incident. Lequel de ces internautes a raison? Dispositif : Proposer un dispositif et un protocole expérimental qui va permettre de faire les observations utiles. On dispose du matériel suivant : Cuve à eau Source lumineuse Cuve hémicylindrique générateur connectique sel 9 Rayon incident i Cuve hémicylindrique i Rayon réfléchi 9 Protocole : Faire varier l angle incident et comparer la valeur de l angle réfléchi avec la valeur de l angle incident. Faire l expérience avec des eaux de salinités différentes. Quelque soit la salinité de l eau l angle réfléchi est égal à l angle réfracté i = i 4

5 ANNEXES 2 : Que se passe-t-il quand la lumière passe dans l eau de mer? La salinité moyenne de l eau des bassins de nausicaà est de 35, elle correspond à la salinité moyenne des océans. La lumière provenant du soleil pénètre dans l eau, le rayon lumineux passe d un milieu d indice de réfraction plus faible (n air = 1) vers un milieu d indice de réfraction plus fort (n eau de mer =?) en étant dévié, on obtient alors un rayon réfracté. Quelle est l indice de réfraction de l eau de mer? On donne l information suivante : On dit que la lumière subit une réfraction quand elle passe d un milieu transparent d indice n 1 à un milieu transparent d indice n 2. L angle d incidence i 1 et l angle de réfraction i 2 vérifient la relation : n 1 sini 1 = n 2 sini 2 i 1 i 2 Milieu d indice n 1 Milieu d indice n 2 Le rayon réfracté est dans le plan d incidence. Matériel à disposition : Source lumineuse Cuve Hémicylindre Éprouvette de 25mL Un générateur Agitateur Un rapporteur sel balance Réalisation de 2 ml d eau dont la salinité est celle de l eau de mer considérée. 1. Que signifie une salinité de 35? 35 g de sel pour 1g d eau 2. Pour 2 ml d eau «douce», quelle quantité de sel faut-il pour obtenir une salinité de 35? mL d eau a une masse de 2g donc la masse de sel nécessaire est de : = 7g 1 3. Décrire le protocole à réaliser pour obtenir 2 ml d eau ayant une salinité de 35. Mesurer 2mL d eau dans une éprouvette et la verser dans un becher y introduire 7 g de sel puis mélanger à l aide d un agitateur.. Faire vérifier la réponse. 4. Préparer 2 ml d eau ayant une salinité de 35. Choisir le montage qui va permettre l observation d un rayon réfracté. (Justifier la réponse) : 5

6 9 9 Source lumineuse Cuve Source lumineuse cuve i 1 i 1 i 2 i 2 Montage A 9 Montage B 9 Montage A : le rayon lumineux passe d un milieu d indice de réfraction plus faible (n air = 1) vers un milieu d indice de réfraction plus fort l eau de mer. Faire vérifier le protocole choisi. Réaliser les mesures pour compléter la 2 ème ligne du tableau ci-dessous : i 1 en degrés i 2 en degrés sini 1 sini 2 1,321 1,357 1,326 1,347 n 2 = n 1 sini 1 sini 2 1,321 1,357 1,326 1,347 Transformer la formule donnée : n 1 sini 1 = n 2 sini 2 afin d obtenir n 2 : n 2 = n 1 sini 1 sini 2 Compléter la 3 ème et 4 ème ligne du tableau. Répondre aux questions suivantes : Quand le rayon lumineux passe d un milieu d indice de réfraction plus faible vers un milieu d indice de réfraction plus fort (n 1 < n 2 ) ; entourer la bonne réponse : i 2 > i 1 i 2 < i 1 i 2 = i 1 Calculer la valeur moyenne de n 2, obtenu expérimentalement en déduire l indice de réfraction de l eau de mer , 33 < n 2 < 1, 35 On donne les mesures suivantes : Angle incident Indice de l air Angle du rayon réfracté Indice de l eau de mer Ouvrir le dossier géogébra «eau de mer et réfraction» à l aide des curseurs, déterminer l indice de réfraction de l eau de mer avec plus de précision et comparer avec le résultat obtenu précédemment : n eau de mer

7 ANNEXES 3 : Salinité et réfraction : des informations supplémentaires. La salinité peut être déterminée avec un réfractomètre. Cet appareil utilise les lois de la réfraction et notamment celles concernant l angle limite de réfraction. Le réfractomètre permet de connaître la concentration en sel (salinité) à partir d une goutte d eau de mer. L angle limite de réfraction s observe quand un rayon lumineux se propage en passant d un milieu transparent d indice de réfraction plus élevé (n 1 ) à un milieu transparent d indice de réfraction plus faible (n 1 ). L angle de réfraction limite est l angle à partir duquel le rayon réfracté disparait. Réfractomètre n 1 i Goutte d eau de mer n 2 r En mesurant l indice de réfraction de l eau de mer on peut en déduire sa salinité et c est ce que fait un réfractomètre. Comme on le voit sur le graphique, l indice de réfraction dépend aussi de la température; la plupart des réfractomètres affichent la salinité en tenant compte de la température de l échantillon. 1, On veut observer le phénomène de réfraction limite avec de l eau de mer à 2 C et une salinité 35. Par lecture graphique déterminer l indice de réfraction correspondant?...1, À l aide d un schéma et d un protocole, expliquer quelle expérience réaliser? Source lumineuse i 1 cuve 9 9 i 2 «L angle limite de réfraction s observe quand un rayon lumineux se propage en passant d un milieu transparent d indice de réfraction plus élevé (n 1 ) à un milieu transparent d indice de réfraction plus faible (n 1 ). L angle de réfraction limite est l angle à partir duquel le rayon réfracté disparait.» Donc Faire varier l angle incident jusqu à ce que l angle de réfraction disparaisse, on obtient alors l angle limite de réfraction. 7

8 Présenter votre proposition. 3. Réaliser le montage. 4. Que se passe-t-il quand on fait varier l angle incident entre et 6? L angle de réfraction disparait 5. Quelle est la valeur de l angle limite de réfraction trouvé? 48 Présenter la mesure trouvée. Ouvrir le dossier géogébra «angle limite de réfraction» à l aide des curseurs, vérifier l exactitude du résultat trouvé à la question 5. 8