TP Optique. Réflexion totale de la lumière & création d un Arc en ciel

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1 TP Optique Réflexion totale de la lumière & création d un Arc en ciel Objectifs : Rappeler les lois d optique géométrique vues en cours (2 nd ) Expliquer quelques phénomènes de réfraction totale au quotidien Rappeler les longueurs d ondes (spectre visible) Créer un Arc en ciel S entraîner à un QCM Matériel : - Lampe de poche - Un miroir plat - une feuille de papier blanc. - Une carafe d eau - Une paille - Un gobelet en plastique transparent Page 1 sur 5

2 I) Réflexion totale de la lumière : 1. QCM : 1. Comment se propage la lumière dans le vide et dans les milieux transparents? De façon circulaire en ligne droite en zigzags 2. Pourquoi voit-on un objet? Il émet de la lumière il réfléchit de la lumière il est solide 3. À quelle vitesse se déplace la lumière dans le vide et dans l air? 3.0x10^8 m/s 2,26x10^5m/s 2,0x10^5m/s 2,7x10^7m/s 4. L'eau (plusieurs réponses possibles): a un indice optique plus faible que l'air a un indice optique plus grand que le vide a un indice optique plus grand que l'air est un milieu moins réfringent que l'air est un milieu plus réfringent que l'air 2. À la recherche d'une loi mathématique : Deux savants ont cherché à traduire le phénomène de réfraction de la lumière par une loi mathématique entre l angle d incidence i (angle que fait le rayon incident avec la perpendiculaire à la surface de séparation) et l angle de réfraction r (angle que fait le rayon réfracté avec la perpendiculaire à la surface de séparation. Page 2 sur 5

3 Pour Johannes Kepler, astronome allemand ( ), l angle d incidence est proportionnel à l angle réfracté tant que les angles restent petits. Pour Rene Descartes, philosophe, mathe maticien et physicien français ( ), c est le sinus de l angle réfracté qui est proportionnel au sinus de l angle d incidence. D après vous, lequel de ces 2 savants avait raison? 3. Découverte du phénomène de réfraction : Placez une paille dans un verre d'eau a- Qu est-ce que vous observez? 4. Flèche retournée : - Placez les deux flèches imprimées sur la feuille derrière la coupe de champagne, - Remplissez la coupe de champagne avec l eau du robinet jusqu à atteindre le niveau de la première flèche. a- Qu est-ce que vous observez? Explication : Ici, la lumière traverse de l air, puis du verre, puis de l eau, puis à nouveau du verre et de l air pour enfin arriver à nos yeux. À chaque fois qu'elle passe d'un matériau à un autre, la lumière est réfractée, ce qui peut créer une illusion d'optique. 5. Gomme invisible : - Mettez une gomme dans le gobelet transparent, - Mettez le gobelet dans la carafe remplie d eau, - Observez le contenu du gobelet en étant à ras de la carafe. a- Voyez-vous la gomme? Page 3 sur 5

4 6. Pièce de monnaie cachée : - Mettez une de monnaie au fond d un bol, - Mettez vous à une position dans laquelle vous ne voyez plus la pièce, - Remplissez le bol avec l eau du robinet tout en restant dans cette position, c- Voyez-vous la pièce? d- À votre avis pourquoi? II) Création d un arc en ciel : 1. Spectre visible : Complétez avec : lambda, d onde, rouge, violette, monochromatique, Ultra-violets, nanomètres, Infras-Rouges, radiations. Une lumière est aussi appelée «radiation», elle est caractérisée par sa longueur λ (lettre grecque, prononcée ) dans le vide et mesurée en mètres. L œil humain ne voit pas toutes les. C est à dire qu il ne perçoit que les radiations comprises entre 400 («nm» 10^-9 mètres), couleur ; et 800 nm, couleur, c est le «domaine visible» ou «spectre visible». Les radiations dont la longueur d onde est inférieure à 400 nm sont les, les Rayons X et les Rayons Gamma; et les radiations dont la longueur d onde est supérieure à 800 nm sont les, les ondes radio.. Page 4 sur 5

5 2. QCM : 1) La limite supérieure du domaine visible correspond à la longueur d'onde : 450 nm 550 nm 650 nm 800 nm 2) Cette limite sépare : Le visible de l'infrarouge le visible de l Ultraviolet Le visible du domaine radio 3) Dans milieu transparent, homogène et isotrope : La vitesse de la lumière est inférieure à celle du vide La vitesse de la lumière est supérieure à celle du vide La vitesse de la lumière est identique à celle du vide 3. Notre expérience : - Remplissez la carafe à moitié d eau du robinet - Mettez le miroir dans la carafe d eau incliné à 45 environ - Allumez la lampe de poche et dirigez sa lumière vers le miroir - Utiliser la feuille de papier blanc pour recevoir le reflet de la lumière sur le miroir - Faites varier la position de la lampe de poche afin d avoir un arc en ciel projeté sur la feuille de papier. D après vous, quelles ressemblances avec l'arc-en-ciel? 4. Explication de l expérience : Complétez par : irisée, décomposée, nuage, tache, expérience, l'observateur, positions. La lumière de la lampe (blanche comme celle du soleil) est en lumières colorées par l'eau (il pleut quand on observe un arc-en-ciel) et on ne voit la tache que dans certaines de l'eau. De même on ne voit l'arc-en-ciel que dans certaines conditions (positions du soleil, du et de, le dos au soleil). Ce ne sont pas, dans cette, des conditions d'observation directe comme pour l'arc-en-ciel puisqu'on utilise un papier pour observer la. Page 5 sur 5