Réflexion et réfraction de la lumière Lois de Snell-Descartes

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1 TP 12 Réflexion et réfraction de la lumière Lois de Snell-Descartes Physique Objectifs : Découvrir expérimentalement les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction. A Présentation du dispositif expérimentale et notations 1) Compléter : Dans cette expérience, la lumière se propage d abord dans (1 er milieu) puis elle pénètre dans le... (2 ème milieu) au point d incidence I. i 1 est l angle. i 2 est l angle.. 2) Compléter le schéma en représentant le rayon réfléchi et l angle de réfraction r. 3) Dans quel plan se trouvent les rayons réfléchi et réfracté? Dans cette expérience, les angles r et i 2 dépendent de l angle i 1 choisi par l expérimentateur. Le but du TP est de trouver les relations entre ces angles. B Étude de la réflexion Observer le rayon réfléchi pour différentes valeurs de l angle i 1. En déduire la relation entre les angles r et i 1?

2 C Étude de la réfraction Manipulations : Réaliser les mesures nécessaires pour compléter le tableau suivant : i 1 (degrés) i 2 (degrés) sin (i 1 ) 1 0,9 Représenter par les points correspondant à sin (i 1 ) et sur le graphique : sin (i 1 ) Représenter les points expérimentaux par des croix X. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

3 Exploitation : Lire les documents 1, 2 et 3. 1) Tracer et décrire la courbe expérimentale. 2) Que peut-on dire de la relation entre sin(i 1 ) et sin(i 2 )? 3) À partir du graphique, déterminer la relation mathématique entre sin(i 1 ) et sin(i 2 ). 4) Calculer l indice de réfraction n 2 du Plexiglas. Que remarque-t-on? 5) Que vaut l indice de l air n 1? 6) Proposer une relation générale entre n 1, n 2, sin(i 1 ) et sin(i 2 ). Document 1 : Comment tracer une courbe expérimentale? 1 er cas : les points expérimentaux ne sont pas alignés : Relier les points à main levée en respectant au mieux la courbure. 2 ème cas : les points expérimentaux sont alignés : tracer la droite moyenne qui représente au mieux l alignement (environ autant de points au-dessus et en dessous de la droite). Document 2 : Rappels de math : grandeurs proportionnelles Définition : 2 grandeurs x et y sont proportionnelles s il existe un nombre constant a tel que : = (fonction linéaire) La représentation graphique de y en fonction de x est alors une droite passant par l origine O. Le coefficient de proportionnalité a correspond au coefficient directeur de la droite. Détermination graphique de a : - Choisir 2 points A et B sur la droite, assez éloignés (meilleure précision) et non confondus avec des points expérimentaux. - Les points A et B doivent apparaître clairement sur la droite. - Déterminer avec précision les coordonnées des points A et B. = - Calculer a en faisant attention aux unités. Document 3 : Données - Vitesse de la lumière dans le vide et dans l air vaut : c 3, m.s -1 - Vitesse de la lumière dans le Plexiglas : v 2, m.s -1

4 D Généralisation A retenir! Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : 1 ère loi : le rayon réfléchi est dans le plan d incidence (= le plan formé par le rayon incident et la normale) 2 ème loi : les angles et sont liés par la relation suivante : Lois de Snell-Descartes pour la réfraction : 1 ère loi : le rayon réfracté est dans le plan d incidence (= le plan formé par le rayon incident et la normale) 2 ème loi : les angles et sont liés par la relation suivante : D Action d un prisme sur la lumière 1) Expliquer pourquoi le prisme dévie la lumière (faire un schéma). 2) Comment expliquer que le prisme disperse la lumière blanche?

5 CORRECTION Exploitation : 1) Tracer et décrire la courbe expérimentale. Les points étant alignés, il faut tracer la droite moyenne : 2) Que peut-on dire de la relation entre sin(i 1 ) et sin(i 2 )? La droite moyenne est une droite passant par l origine O donc les grandeurs sin(i 2 ) et sin(i 1 ) sont proportionnelles, c est-à-dire que : = où a est le coefficient de proportionnalité (= nombre constant) 3) À partir du graphique, déterminer la relation mathématique entre sin(i 1 ) et sin(i 2 ). On choisit 2 points A et B en respectant bien les consignes du document 2 : =, 4) Calculer l indice de réfraction n 2 du Plexiglas. Que remarque-t-on? =, On remarque que = 5) Que vaut l indice de l air n 1? 6) Proposer une relation générale entre n 1, n 2, sin(i 1 ) et sin(i 2 ). D après les questions 2 et 3, on peut écrire que la relation entre sin(i 1 ) et sin(i 2 ) est : = = est «caché» dans cette formule. Par symétrie, on peut penser que la relation générale est : =