Activité  expérimentale  :  la  fibroscopie  

I. INTRODUCTION  :                                      

II. Qu’est  ce  que  j’ai  appris  au  Collège  ?   En  optique  géométrique,  le  trajet  de  la  lumière  se  modélise  par  un  rayon.  

1)  Que  pouvez-­‐vous  dire  sur  la  direction  de  propagation  de  ce  rayon  dans  l’air  ?  □  Le  rayon  va  dans  toutes  les  directions  □  Le  rayon  est  sinusoïdal  □  Le  rayon  se  déplace  en  ligne  droite  □  Le  rayon  peut  se  courber    2)  Quels  types  de  matériaux  la  lumière  traverse-­‐t-­‐elle  ?  □  Tous  les  matériaux  la  lumière  passe  partout  □  Tous  les  matériaux  sauf  le  bois  et  le  métal      Comment  se  propage  la  lumière  dans  la  fibre  optique  ?   ü Imaginez  et  dessiner  le  trajet  de  la  lumière  à  l’intérieur  d’une  «  fibre  optique  »  

ü Dessiner  le  trajet  de  la  lumière  sur  le  schéma  ci-­‐dessus. ü Par  quel  phénomène  se  propage  la  lumière  dans  une  fibre  optique  ?   Que  faut-­‐il  pour  que  la  lumière  change  de  direction  ? Formulez  une  hypothèse  sur  la  condition  nécessaire  au  changement  de  direction  de  la  lumière.      

4)  Que  faut-­‐il  pour  que  la  lumière  se  propage  en  ligne  droite  ?  □  Uniquement  les  matériaux  transparents  □  Cela  dépend  de  la  couleur  de  la  lumière    3)  Dans  l’air,  la  lumière  peut-­‐elle  être  courbée  ?  □  Oui  si  il  y  a  du  vent  □  Non  jamais  □  Cela  dépend  du  milieu  de  propagation  □  Non,  mais  on  peut  la  forcer  à  suivre  une  certaine  direction.  

C3  –  TP  –  2de   2011/2012  

 

Lycée  Saint Joseph  Pierre  Rouge  

 

  N  

N’  

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III. VISUALISATION  DES  PHENOMENES  DE  REFRACTION    ET  DE  REFLEXION  TOTALE  

1. Passage  de  l’air  dans  le  plexiglas    

a. Situation  1  :  Eclairer  la  face  plane  du  demi-­‐cylindre  à  l’aide  d’un  faisceau  de  lumière  dirigé  vers  son  centre  comme  sur  la  figure  ci-­‐contre.    

b. Constater   l’existence   d’un   rayon   se   réfléchissant   sur   la  surface  plane  séparant  le  l’air  et  le  plexiglas.  L’angle   de   réflexion   i’   est   égal   à   l’angle   formé   par   le  faisceau   réfléchi   avec   la   normale   à   la   surface   de  séparation  en  O  (voir  schéma  ci-­‐dessous).  Mesurer   i’  et  

comparer  sa  valeur  à  celle  de  l’angle  d’incidence  i.    

c. Observer   alors   le   faisceau   transmis   dans   le   plexiglas   depuis   le  point   O,   appelé   faisceau   réfracté.   L’angle   de   réfraction   r   est  l’angle   entre   le   faisceau   réfracté   et   la   normale   à   la   surface   de  séparation  en  O.  Mesurer  la  valeur  de  r.  La  comparer  à  i.  

 d. Faire  un  schéma  à   l’échelle  du  dispositif  sur   lequel   figureront   les  

faisceaux  incident,  réfléchi  et  réfracté.  Indiquer  les  trois  angles  i,  r  et  i’.  

e. Faire  varier  de  0  à  90°  l’angle  d’incidence  i.  Noter  les  phénomènes  qui  se  produisent  au  niveau  de  la  surface  de  séparation  entre  l’air  et  le  demi-­‐cylindre.    

2. Passage  du  plexiglas  dans  l’air  

a. Situation   2  :   Eclairer   la   face   cylindrique   du   demi-­‐cylindre   à   l’aide   d’un  faisceau   de   lumière   dirigé   vers   son   centre   comme   sur   la   figure   ci-­‐contre.  Constater  l’existence  d’un  rayon  se  réfléchissant  sur  la  surface  plane  séparant  le  plexiglas  et  l’air  ;  et  d’un  rayon  transmis  dans  l’air.  Mesurer   l’angle   de   réflexion   i’   et   comparer   sa   valeur   à   celle   de   l’angle  d’incidence  i.  Mesurer  la  valeur  de  l’angle  de  réfraction  r  et  comparer  à  i.  L’angle  de  réfraction  

r  est-­‐il  plus  petit  que  l’angle  d’incidence  i  ?    

b. Faire   un   schéma   à   l’échelle   du   dispositif   sur   lequel   figureront   les  faisceaux  incident,  réfléchi  et  réfracté.  Indiquer  les  trois  angles  i,  r  et  i’.    

c. Faire  varier  de  0  à  90°  l’angle  d’incidence  i.  Noter  les  phénomènes  qui  se   produisent   au   niveau   de   la   surface   de   séparation   entre   le   demi-­‐cylindre  en  plexiglas  et  l’air.    

Exploitation      

a. Au-­‐delà  de  quelle  valeur  de  l’angle  d’incidence  i  n’y  a-­‐t-­‐il  plus  de  rayon  réfracté  ?    

b. Lorsque  i  dépasse  cette  valeur,  il  y  a  réflexion  totale.  Rédiger  un  texte  décrivant  ce  phénomène.    

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c. Le  phénomène  de   réflexion   totale  existe-­‐t-­‐il   lorsque   le   faisceau   incident  passe  de   l’air   dans   le  plexiglas  (situation  1)  ?  

   

d. Dans  la  situation  1,  l’angle  de  réfraction  est-­‐il  plus  petit  que  l’angle  d’incidence  ?  même  question  dans  la  situation   2.   Expliquer   cette   différence   en   utilisant   le   tableau   donnant   la   vitesse   de   la   lumière   dans  différents  milieu  transparent  donné  dans  la  partie  introduction.  A  votre  avis  quel   chemin  doit   suivre  un   sauveteur  depuis   son  poste  de  garde  pour   secourir  un  personne  entrain  de  se  noyer  dans  la  mer  ?  Faire  un  schéma.    

e. Les  milieux  sont  caractérisés  par  les  indices  de  réfraction,  une  grandeur  sans  unité  notée  n.    Voici  quelques  valeurs  :    

 Lorsqu’il  n’y  a  pas  de  rayon  réfracté  on  parle  de  réflexion  totale.    Quelle  condition  sur  les  indices  des  milieux  faut-­‐il  pour  qu’il  y  ait  réflexion  totale?    

IV. CONCLUSION    Une  fibre  optique  est  généralement  constituée  de  verre.  Comment  le  phénomène  de  réflexion  totale  permet-­‐il  d’expliquer  que  la  lumière  puisse  être  véhiculée  sur  de  longue  distance  dans  la  fibre  sans  en  sortir  ?  

   A  chaque  pixel  de  l’image  fournie  par  un  fibroscope  est  associée  une  fibre  qui  transporte  la  lumière  venant  d’un  point  de  la  zone  observée.  On  considère  un  fibroscope  dont  le  faisceau  de  fibre  a  5  mm  de  diamètre,  chaque  fibre  ayant  un  diamètre  de  7  µm.  Evaluez  le  nombre  de  pixels  de  l’image.