20
OBJECTIFS Citer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées Caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud. Caractériser un rayonnement monochromatique par sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air Exploiter un spectre de raies Connaitre et exploiter les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction Tester les lois de Snell-Descartes à partir d’une série de mesures et déterminer l’indice de réfraction d’un milieu Décrire et expliquer qualitativement le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme Produire et exploiter des spectres d’émission obtenus à l’aide d’un système dispersif et d’un analyseur de spectre : Acquis : En cours d’acquisition : non acquis RESSOURCES (Les ressources textes sont sur Pronote) Vidéo 1 – La lumière Vidéo 2 – Les messages de la lumière Activité – L’année lumière TP9 – Spectres TP10 – Propagation de la lumière : cas de la réfraction TRAVAIL A FAIRE Consulter les ressources Compléter la trace écrite (Cours chapitre 6) S’exercer sur les exercices d'automatisation et d'analyse Pour les plus avancés choisir et suivre un parcours autonome Faire un résumé du chapitre Apprendre le cours régulièrement Faire des exercices avant le DS ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6 Plan de travail MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

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Page 1: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

OBJECTIFS

Citer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air et la comparer à d’autres

valeurs de vitesses couramment rencontrées

Caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud.

Caractériser un rayonnement monochromatique par sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air

Exploiter un spectre de raies

Connaitre et exploiter les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction

Tester les lois de Snell-Descartes à partir d’une série de mesures et déterminer l’indice de

réfraction d’un milieu

Décrire et expliquer qualitativement le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme

Produire et exploiter des spectres d’émission obtenus à l’aide d’un système dispersif et d’un

analyseur de spectre

: Acquis : En cours d’acquisition : non acquis

RESSOURCES (Les ressources textes sont sur Pronote)

Vidéo 1 – La lumière

Vidéo 2 – Les messages de la lumière

Activité – L’année lumière

TP9 – Spectres

TP10 – Propagation de la lumière : cas de la réfraction

TRAVAIL A FAIRE

Consulter les ressources

Compléter la trace écrite (Cours chapitre 6)

S’exercer sur les exercices d'automatisation et d'analyse

Pour les plus avancés choisir et suivre un parcours autonome

Faire un résumé du chapitre

Apprendre le cours régulièrement

Faire des exercices avant le DS

ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6

Plan de travail

MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Page 2: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

EXCERCER SES COMPETENCES

Correction des exercices sur Pronote

Parcours commun Parcours autonome

Ex4 p.278

Ex5 p.278

Ex6 p.278

Ex7 p.278

Ex8 p.278

Ex9 p.278

Ex10 p.278

Ex11 p.278

Ex12 p.278

Ex13 p.278

Ex14 p.278

Ex15 p.278

Ex16 p.278

Ex17 p.278

Ex18 p.116

Ex6 p.295

Ex7 p.295

Ex9 p.295

1-Exercices

d'automatisation

2-Exercices d'analyse

Ex21 p.281

Ex22 p.282

Ex24 p.282

Ex28 p.284

Ex10 p.295

Ex11 p.295

Ex12 p.295

Ex13 p.295

Ex14 p.295

Ex18 p.295

Ex19 p.295

Ex20 p.295

Ex25 p.283

Ex29 p.284

3- Exercices d’approfondissement

ou de révision

CHRONOLOGIE

Page 3: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

1

I. QU’EST-CE QUE LA LUMIERE ?

1. Nature ondulatoire de la lumière

2. Vitesse de propagation de la lumière

Remarque : cette valeur est très élevée comme le montre le tableau ci-dessous

II. SPECTRE DE LA LUMIERE BLANCHE

Chaque radiation monochromatique est

caractérisée par sa ………………………….

………………….. dans le vide, notée …… (en nm)

o La lumière visible est une ………………………………………………………………………….. La lumière visible est composée de

différentes ………………………………………… électromagnétiques.

o On associe à chaque radiation une grandeur appelée ……………………………………., notée ……. (lambda). L’unité

de la longueur d’onde est le …………………………. (ou le ……………………………)

Les radiations visibles par l’œil humain s’étend

de λviolet = nm à λrouge = nm

o La valeur c de la vitesse de propagation de la lumière est constante dans le vide

o Dans l’air et le vide, elle vaut environ :

Toute lumière peut être décomposée à l’aide d’un système …………………………… (prisme ou réseau). On

obtient son ………………..

ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6

Cours

MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Page 4: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

2

III. LES DIFFERENTS TYPES DE SPECTRES

1. Spectre d’émission de différentes sources de lumière

On parle de spectre d’émission car c’est le spectre de la source qui émet de la lumière

A. Spectre d’émission continu :

Lorsqu’un corps (solide, gaz ou gaz sous forte pression) est fortement chauffé il émet de la lumière dont le spectre est

……………………. On parle de source ……….………….. de lumière. Ce spectre ne dépend pas du corps mais de la

……………………………….

Exemples : Soleil, lampes à incandescence

Plus la température du corps augmente, plus le spectre s’enrichit en radiation de …………………… longueurs

d’ondes (bleu-violet). A 850°C la lumière émise est rouge alors qu’à 2700°C elle est plutôt blanche. Si on augmente la

température elle peut même être bleue.

B. Spectre d’émission de raies :

Un gaz (contenant des atomes ou ions), lorsqu’il est

soumis à une excitation (décharges électriques ou

chauffé) émet de la lumière dont le spectre est

constitué de ……………………………………….

sur fond ……………... On parle de source

……………….. de lumière.

Exemple : lampe fluocompacte

Le spectre de raies d’émission caractérise l’espèce présente dans le gaz (cela signifie que chaque type de gaz a un

spectre différent d’un autre).

2. Spectre d’absorption :

Un spectre d’absorption est obtenu lorsque de la

lumière …………………………. traverse un gaz à

basse pression. On observe un spectre avec des raies

………………, sur un fond ………………. Le gaz a

…………….. certaines radiations. Ces raies sont les

……………… que celle que le gaz peut émettre (un

atome ou un ion ne peut absorber que les radiations

qu’il est capable ………………….).

On parle du spectre d’absorption de l’élément chimique contenu dans le gaz excité.

Une source de lumière est un objet qui produit la lumière qu’elle …………………...

o Une source de lumière monochromatique contient ………………………………… radiation (exemple :

………………………………………………………………….…)

o Une source de lumière ………………………………………. contient ……………………………. radiations (exemple : ……………

…………………………………………………….)

Page 5: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

3

Les radiations émises ou absorbées par une entité

chimique ont les mêmes longueurs d’onde.

BILAN

IV. INFORMATIONS TRANSPORTEES PAR LA LUMIERE

Application à la lumière provenant d’une étoile

➢ La surface de l’étoile (………………………….) est extrêmement ………….., la lumière émise est donc un

spectre ………………. Suivant les radiations présentes dans le spectre continu, les astronomes sont capables

connaitre la ………………… de l’étoile. Plus il y a de radiations bleues, violettes et plus l’étoile est …………….

➢ Les raies noires correspondent aux radiations …………………….. par l’atmosphère de l’étoile (……………..)

qui est bien moins chaude. Ces raies sombres correspondent aux spectres ……………………… des éléments

chimiques présents dans la chromosphère. Ces raies noires permettent donc de savoir de quels ………………….

……………………… est composée l’étoile.

Plus de 99% de notre connaissance actuelle de l’Univers provient de l’analyse de la lumière de l’Univers.

➢ Identification ……………………………….

➢ Détermination de ………………………

……………………….

Le spectre de la lumière émise par un corps

chaud dépend de sa température de surface.

➢ L’analyse de la lumière provenant d’une étoile permet de connaitre sa …………………………………………………………

et la ……………………………………………………… de son atmosphère

➢ Le soleil est essentiellement composé …………………………………………. et …………………………………

Les types de spectres

Spectre d’émission Spectre d’absorption

Spectre continu Spectre de raie

Page 6: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

4

V. PROPAGATION DE LA LUMIERE : REFRACTION ET REFLEXION

1. MODELE DU RAYON LUMINEUX

Le modèle du rayon lumineux illustre le principe de propagation rectiligne de la

lumière dans un milieu homogène. Le rayon est représenté pas un ………………

et une …………………. indique le sens de propagation de la lumière.

2. REFRACTION DE LA LUMIERE

Définitions des termes :

• Dioptre :

• Normale au dioptre :

• Rayon incident :

• Rayon réfracté :

• Angle d’incidence i :

• Angle de réfraction r :

• Plan d’incidence :

Indice de réfraction :

➢ Pour une radiation donnée, l’indice de réfraction d’un milieu transparent et homogène est un nombre sans unité

supérieur ou égal à 1. Il caractérise ce milieu

➢ On peut déterminer un indice de réfraction grâce à la loi de Snell Descartes. Pour cela on exploite une mesure ou

série de mesure.

Lois de la réfraction (loi de Snell Descartes) :

o 1ère loi de Descartes :

o 2ème loi de Descartes : Lorsqu’un rayon lumineux est réfracté à travers le dioptre séparant l’air d’un

autre milieu transparent, les angles i et r qu’ils forment avec la normale au dioptre vérifient :

Avec 𝑛1 et 𝑛2

La réfraction est le changement de ……………………………………. d’un faisceau lumineux passant d’un milieu

transparent à un autre.

Page 7: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

5

De nombreux phénomènes atmosphériques s’expliquent par la

réfraction des rayons lumineux dans l’atmosphère terrestre :

o Formation des mirages

o La scintillation des étoiles

o L’aplatissement apparent du Soleil ou de la Lune proches de

l’horizon

3. REFLEXION DE LA LUMIERE

La réflexion de la lumière est le changement de direction que subit un rayon lumineux lorsqu’il traverse la surface

séparant deux milieux d’indices de réfraction différents et qu’il ………………. dans le milieu initial.

Soit un rayon lumineux incident arrivant sur une surface séparant deux milieux d’indices de réfraction différents avec

un angle d’incidence i. Il apparait un rayon réfléchi définissant un angle de réflexion i’ par rapport à la normale.

VI. DISPERSION DE LA LUMIERE PAR UN PRISME

Lois de la réflexion :

o Le rayon réfléchit se trouve

o L’angle d’incidence i et l’angle de réflexion i’ sont égaux

Le prisme est un système dispersif : son indice de réfraction dépend de la ………………………………………………….

de la lumière qui le traverse (Exemple pour le verre : nrouge = 1,50 et nviolet = 1,52)

Lumière blanche

Il se produit une réfraction sur chaque face

du prisme, ce qui accentue la dispersion

Chaque radiation est réfractée avec

un angle différent (Loi de Snell

Descartes)

Page 8: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

1

I. L’ANNEE LUMIERE

C’est à la fin du XXe siècle que de grands télescopes ont été construits pour sonder

l’Univers. Ainsi le télescope spatial Hubble met à profit sa position privilégiée dans le

vide interplanétaire pour scruter les galaxies jusqu’aux distances les plus importantes.

Il est important de comprendre que, à l’échelle des longueurs qui séparent les galaxies,

la lumière met du temps pour parcourir ces espaces immenses.

Si rapide soit-elle (sa vitesse atteint c = 300 000 km.s-1), il lui faut ainsi de nombreuses

années pour parvenir jusqu’à nous depuis les corps célestes qui peuplent l’Univers :

- 10 années pour l’étoile la plus proche, Proxima centuri

- 2 millions d’années pour la galaxie d’Andromède, pourtant visible à l’œil nu.

Les astronautes ont donc inventé une nouvelle unité de distance

Nous allons calculer la valeur d’une année lumière

1- La vitesse de la lumière

a) Rappeler la valeur de la vitesse de la lumière notée c (comme célérité) en km.s-1

b) Convertir cette valeur en km.h-1. Écrire le résultat en écriture scientifique

c) Convertir cette valeur en mètre par seconde. Écrire le résultat en écriture scientifique

2- Une nouvelle unité de distance : L’année lumière ou l’année de lumière

a) Rappeler la définition de l’année lumière

b) Donner la relation entre la célérité c de la lumière, la distance parcourue (d) et la durée du parcours (t) ?

c) Quelle est, en seconde, la durée :

d’une heure : d’un jour : d’une année de 365j :

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6

Activité :

L’ANNEE LUMIERE

Page 9: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

2

d) Calculer 1 al en mètre et exprimer le résultat en écriture scientifique.

e) Convertir ce résultat en kilomètre et l’écrire en écriture scientifique.

II. VOIR LOIN C’EST VOIR DANS LE PASSE

1 al = ………………………………………… m = ………………………………………… km

Page 10: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

3

1. La vitesse de la lumière

a) Quelle est la vitesse de la lumière ?

b) Quelle est la vitesse du son dans l’air ?

Un orage éclate. La foudre tombe à d = 900 m de vous.

c) Combien de temps met la lumière de l’éclair pour vous parvenir ?

d) Combien de temps met le son (tonnerre) pour vous parvenir ?

e) Que remarquez-vous ? Conclure

2. Une machine à remonter le temps

a) Expliquer la phrase : « En regardant « loin », nous regardons « tôt » » :

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

b) Quel est l’intérêt pour l’astrophysicien d’utiliser l’année-lumière plutôt que le mètre comme unité de longueur ?

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

c) Si nous habitions une autre planète, sur la galaxie d’Andromède par exemple, pourrions-nous dire aussi

« Ici (sur cette planète), nous sommes au sommet de la montagne du temps » ?

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………

3. Applications

Page 11: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

4

a) Calculer la distance d en mètre puis en km à laquelle se trouvent les extraterrestres de nous.

b) Compléter le tableau ci-dessous pour savoir sur quelle planète nous allons partir en voyage…

Corps céleste Mars Neptune Andromède

Type

Planète

Planète Galaxie

Distance

Terre-corps céleste (al)

8.2 x 10-6 al 9 x 10-5 al 2,6.106 al

Distance

Terre-corps céleste (km)

8.2 x 10-6 x 9.46x 1012

= 7.8 x 107 km

Distance

Terre-corps céleste (m) 7.8 x 1010 m

Durée

∆t du voyage en heure puis en

min dans le cas où le vaisseau

se déplace à la vitesse de la

lumière

c = 1.08 x 109 km/h

∆t = d/v

= 7.8 x 107

/ (1.08 x 109)

= 7.22 x 10-2 h

= 4 min

Durée

du voyage en heure dans le cas

où le vaisseau se déplace à la

vitesse d’une sonde

v = 5000 km/h

∆t = d/v = 7.8 x 107

/ (5 x 103)

= 1.56x104 h

A retenir

La lumière se déplace à une vitesse de …………………………………………………

Cette vitesse est appelée célérité notée ……………

Pour des grandes distances les physiciens utilisent une unité appelée ……………………………………………………… notée ……………

C’est la distance parcourue …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

1 a.l. = ………………………………………………… ou Ordre de grandeur : …………………………………………………

Dans l’Univers les distances sont telles que la lumière qui provient de certaines étoiles a été émise il y a des

millions d’années : voir loin c’est voir …………………………………………………!!!!

Page 12: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Comment font les astronomes pour déterminer la composition chimique d’un astre inaccessible ?

I. CARACTERISTIQUES D’UNE LUMIERE

1. Comment analyser une lumière ? Atelier 1

Un prisme est un solide droit à base triangulaire, il est constitué d'un matériau transparent : verre, plexiglas.

Un réseau est un dispositif composé d'une série de fentes parallèles ou de rayures réfléchissantes. Ces traits sont

espacés de manière régulière et sont si serrés qu’on ne les voit pas.

➢ On réalise l'expérience suivante avec un prisme

puis avec un réseau :

2. Lumière polychromatique, lumière monochromatique Atelier 1

➢ On réalise la même expérience que précédemment en remplaçant l'ampoule à filament par un laser

3. Longueur d'onde λ d'une radiation lumineuse

Document : longueur d'onde dans le vide et dans l'air des radiations lumineuses.

λ (nm) 400-450 450-500 500-570 570-590 590-620 620-800

couleur Violet Bleu Vert Jaune Orange rouge

Spectre

Le prisme et le réseau sont des systèmes dispersifs. Lorsqu'on fait passer un faisceau de lumière à

travers un prisme (ou un réseau), on observe les radiations (ou lumières) que cette lumière contient :

on observe ainsi son ………………………..

o Le spectre de la lumière blanche est ………………………………………….. car les radiations sont collées les

unes aux autres.

o Il s’étend du violet au rouge en passant par toutes les couleurs. C’est une lumière

……………………………………………..…… car il est composé de ………………………………………… radiations

o Le spectre du laser est composé d’une ……………… radiation (une seule raie présente sur le spectre)

C’est un spectre monochromatique car il est composé d’une seule radiation

ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6

TP9

SPECTRES LUMINEUX

Page 13: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Remarque : Entre 10 nm et 400 nm, on a les ultraviolets. Entre 800 nm et 1 mm, on a les infrarouges. Seules les radiations entre

400 et 800 nm sont visibles par l’œil humain. Les UV et les IR ne sont pas visibles par l’œil humain directement, mais sont de

même nature.

II. SPECTRES D’EMISSION

1. Spectre continu d’origine thermique Atelier 2 : poste élève

Tout corps suffisamment chauffé émet de la lumière. Ex : le filament d'une lampe à incandescence.

➢ Utiliser le montage présent

sur votre table et schématisé

ci-contre et faire varier

lentement la tension aux

bornes de la lampe à l’aide

du potentiomètre

Remarques :

• A basse température (<2000°C), le corps n'émet que des infrarouges (longueur d'onde élevée) : on peut ainsi voir avec des

lunettes infrarouges des personnes qui se déplacent ou les fuites thermiques d'une maison…

• A 8000 °C : le corps émet du blanc (toutes les couleurs)

• A 10 000°C : le corps émet du bleu-violet

• Si une lampe à incandescence émet de la lumière, c'est parce que son filament est porté à haute température (4000°C)

2. Spectre de raie d’une entité chimique Atelier 3

La lumière d'une lampe spectrale est produite par une décharge électrique dans une ampoule renfermant de la vapeur

basse pression d’une seule entité chimique (vapeur de mercure ou de sodium …).

Matériel : 2 lampes spectrales (Mercure (Hg), Hydrogène (H)) munies d’un réseau pour pouvoir observer le spectre

ATTENTION : EVITER DE REGARDER DE FACE LES LAMPES SPECTRALES !

Les montages sont déjà réalisés. NE RIEN TOUCHER

➢ Regarder à travers chaque réseau

➢ Représenter les différents spectres

En utilisant le logiciel http://labosims.org/animations/App_spectre_emission/App_spectre.html, déterminer la

composition chimique de chacune des lampes

Lampe A : ……………………………………………………………

Lampe B : ……………………………………………………………

Tout corps chaud émet un rayonnement ……………………………………. dont le spectre s'enrichit en longueurs

d'ondes ………………………. (……………………………………………….) lorsque sa température augmente.

Une radiation monochromatique est caractérisée par sa ………………………………………………………………. dans le vide,

notée ……………………. (lambda). C'est une longueur, son unité est le …………………, ou plus souvent le

nanomètre (………….)

Spectre A

Spectre B

Page 14: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Application : Ce principe de base de la pyrotechnie permet de donner des couleurs aux feux d'artifice.

III. SPECTRES D’ABSORPTION D’ENTITES CHIMIQUES Atelier 4 ordinateur

➢ Se connecter à l’adresse internet suivante : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf ➢ Observer le schéma des montages ci-contre

➢ Quel est élément qui émet la lumière dans

➢ le montage 1 :

➢ le montage 2 :

➢ Quel montage qui permet d’obtenir :

- un spectre d’absorption :

- un spectre d’émission :

➢ Dans le tableau périodique, choisir l’élément carbone en cliquant sur son symbole C.

Quel est le spectre d’émission ? Comment le reconnait-on ?

o Le spectre d’émission d’une espèce chimique est constitué de quelques raies …………………………..

sur fond ………………. C’est un spectre ………………………………… appelé spectre de ……………. d’émission.

À chaque raie correspond une …………………………. monochromatique.

o Chaque entité chimique gazeuse émet un ensemble de raies qui lui est ……………………………………… ;

on peut donc identifier une entité chimique sans ambiguïté grâce à son …………………………………………

Le spectre d’absorption d'une substance est obtenu en analysant une lumière blanche qui a

traversé cette substance.

Montage 1

Spectre 1

Spectre 2

Page 15: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Quel est le spectre d’absorption ? Comment le reconnait-on ?

Que peut-on remarquer sur les raies obtenues en comparant les 2 spectres émission et absorption ?

• Le spectre d’absorption d’une espèce chimique est un spectre ………………………………. constitué de

quelques raies …………………… sur fond ……………………. C’est un spectre de ………………………………………….

• Un atome ou un ion n'absorbe que les radiations qu'il est capable d'………………………….. Les raies

noires d'absorption d'une entité chimique sont donc situées au ………………………………………………………

que les raies colorées de son spectre d'émission

• Chaque entité chimique gazeuse absorbe un ensemble de raies qui lui est ……………………………………. ;

on peut donc aussi identifier une entité chimique sans ambiguïté grâce à son ………………………………….

…………………………………

Page 16: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

1

I. MISE EN EVIDENCE DU PHENOMENE DE REFRACTION

MANIPULATION 1 :

Allumer la source lumineuse et diriger le faisceau lumineux de manière non

perpendiculaire sur la surface plane du ½ cylindre (voir schéma ci-dessus)

Observer le trajet du rayon lumineux à sa traversée du plexiglas : il s’agit du

phénomène de réfraction.

QUESTIONS :

Compléter le texte ci-dessous avec les mots suivants : verre, séparation, rectiligne, air, plexiglas, dévié, milieux

transparents, transparentes

En optique, l’air, l’eau, le plexiglas, le ………......... sont des matières qui laissent passer la lumière parce

qu’elles sont …................... On appelle ces matières des ………………… ……………………………….

L’air est un milieu transparent homogène : le trajet emprunté par la lumière pour aller d’un point à un autre est

…………………………………………..

Par contre, l’expérience montre que si la lumière passe de l’…........ au …....................................... son trajet

est.................................. quand la lumière franchit la surface de ….................. entre les deux milieux, c’est le

phénomène de réfraction.

Remarque : Le phénomène de réfraction s’accompagne toujours d’un phénomène de …............................... on dit que

la réflexion est ……………................................................

Que se passe-t-il si l'on dirige le faisceau lumineux issu de la source lumineuse perpendiculairement au centre de

la surface plane du demi-cylindre ?

Compléter le schéma ci-dessous pour expliquer le tour de magie !!

Le phénomène de réfraction est un changement de ..................... des rayons lumineux lorsqu'ils

changent de milieu.

ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 6

TP10

PROPAGATION DE LA LUMIERE : CAS DE LA REFRACTION

Page 17: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

2

En observant le phénomène de réfraction, plusieurs savants ont fait des propositions de lois pour expliquer et prédire

ce qui se passe lors du passage de la lumière d’un milieu à un autre. Certaines de ces lois sont exactes. Votre mission

aujourd’hui est de les retrouver !! A vous de jouer !!

II. ETUDE QUANTITATIVE DU PHENOMENE DE REFRACTION

1. Dispositif expérimental

L'angle d'incidence, appelé i, est l’angle

compris entre le rayon incident et la

normale à la surface de séparation.

L’angle de réfraction, noté r, est l’angle

compris entre le rayon réfracté et la

normale à la surface de séparation.

Le demi-cylindre est posé sur un disque gradué pouvant tourner autour de son axe. Un faisceau lumineux arrive au

centre de la surface plane du demi-cylindre. Il subit alors une réflexion (peu visible) et une réfraction dans le plexiglas.

Les graduations angulaires du disque permettent une mesure directe des valeurs de i et de r.

2. Manipulation :

Faire arriver le rayon sur la partie plane du demi-cylindre : on étudie alors le passage air → plexiglas

Régler si besoin la position de la source lumineuse de façon à avoir i = r = 0 : le dispositif expérimental est alors

prêt à être utilisé.

Pour différentes valeurs de l'angle d'incidence i, obtenues en faisant tourner le disque gradué, mesurer l'angle de

réfraction r et compléter uniquement la deuxième ligne du tableau ci-dessous (angle r avec un seul chiffre après

la virgule)

i (°) 0 10 20 30 40 50 60 70

r (°)

r / i

sin(i)

sin(r)

3. Exploitation des résultats : Quel(s) savant(s) a (ont) raison ?

Voici les différentes propositions des savants tout au long de l’histoire concernant la réfraction :

Pour le savant Ptolémé (IIème

après J.C.)

Le rayon réfracté est situé dans le plan d'incidence

Les rayons perpendiculaires à la surface ne sont pas réfractés

L’importance de la réfraction dépend de la nature des milieux

Les propositions de Ptolémé sont-elles justes ? Justifier

Page 18: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

3

Pour le savant anglais Robert Grosseteste (maître des études à l'université d'Oxford, 1168-1253), l'angle de

réfraction est égal à la moitié de l'angle d'incidence.

Calculer, pour chaque valeur de i, le rapport r/i et compléter la troisième ligne du tableau (un seul chiffre

significatif)

L'hypothèse émise par Robert Grosseteste est-elle correcte ?

Le physicien allemand Johannes Képler (1571-1630) a estimé que l'angle d'incidence i est proportionnel à l'angle de

réfraction r.

Montrer que cette loi n'est acceptable que pour un certain domaine de valeurs de i que vous définirez.

Le philosophe et savant français René Descartes (1596-1650) a montré qu'il existe une relation simple entre sin(i)

et sin(r).

Calculer sin(i) et sin(r) et compléter les deux dernières lignes du tableau (prendre 2 chiffres significatifs)

A l’aide de la fiche méthode « Tracer un graphique sur Excel » tracer la courbe sin(i) = f ( sin(r) )

Quelle est l'allure de la courbe obtenue ? sin(i) et sin(r) sont-ils proportionnels ?

Tracer une courbe d’étalonnage à l’aide la fiche méthode, afficher l’équation et le coefficient de détermination sur

le graphique. Imprimer et coller votre graphique :

L'hypothèse émise par René Descartes est-elle correcte ?

Page 19: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

4

Bilan : énoncer les hypothèses justes émises par les savants et donc à retenir :

III. LOI DE LA REFRACTION

A l’aide de votre modélisation, déterminer la valeur de (donnée : )

𝑛𝑎𝑖𝑟 × sin(𝑖) 𝑛𝑝𝑙𝑒𝑥𝑖 × sin(𝑟) La loi de Descartes sur la réfraction de la lumière de l'air vers le plexiglas s'exprime par :

où 𝑛𝑎𝑖𝑟 est l'indice de réfraction de l’air et 𝑛𝑝𝑙𝑒𝑥𝑖 est l'indice de réfraction du plexiglas

Page 20: MODELE DE L’EMISSION ET DE LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

5

Professeur : Salle

Jour : Heure

Cours

TP : Nombre de groupes :

Matériel, produits, montages et solution

Poste professeur

Webcam reliée à l’ordinateur

Tasse

Pièce de monnaie

Poste élève

Sur banc d’optique : étude de la réfraction

½ cylindre de plexiglas sur rapporteur monté sur support pivotant une source lumineuse générateur