Phys. N° 03

Dispersion de la lumière par un prisme. Cours.

 

 

I- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

II- Réfraction de la lumière (en relation avec le TP physique N° 4)

III- Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière blanche ?

IV- Applications.

Exercices 2005-2006

 Physique et Chimie  seconde  Collection DURANDEAU   HaCHETTE

Exercice 4 page 54

Exercice 12 page 55

Exercice 13 page 55

Exercice 18 page 56

Exercice 22 page 57

Physique et Chimie  seconde  Collection Microméga   Hatier

Ancienne édition

I - Exercice 3 page 208.

II - Exercice 7 page 208.

III - Exercice 8 page 208.

IV - Exercice 16 page 208.

V - Exercice 17 page 208.

VI - Exercice 18 page 208.

VII - Exercice 26 page 210.

Pour aller plus loin : 

Logiciel pour létude de la lumière et des spectres Chroma Gratuit

Mots clés :

La lumière blanche ; le prisme ; décomposition de la lumière blanche ; Newton ; le disque de Newton ; réfraction de la lumière ; lois de la réaction ; Descartes ; Snell ; lumières polychromatiques ; longueurs d'onde d'une radiation ; Arc en Ciel ; ...

 

 

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I- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

1)- Expérience de Newton (1642 – 1727).

 I Expérience : on éclaire une fente avec une lumière blanche et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un prisme.

-     Observations : la lumière est déviée par le prisme. 

-     De plus le faisceau qui émerge du prisme est étalé et présente les différentes couleurs de l’arc-en-ciel 

-     (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet).

-     La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette.

-     Conclusion :

-     Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet. 

-     C'est un phénomène de dispersion. 

-     L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche. 

-     Le spectre est continu du rouge au violet.

-     La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations : c’est une lumière polychromatique.

-      Arc en Ciel :

 

2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser.

   

I Expérience : on éclaire une fente avec un faisceau laser et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un prisme.

-     Observation : le faisceau laser est dévié et le spectre ne comporte qu’une seule couleur, la couleur rouge initiale.

-     Conclusion : la lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est monochromatique.

3)- Radiation et longueur d’onde.

-     Une lumière monochromatique ne peut être décomposée par un prisme. 

-     C’est une radiation lumineuse qui est caractérisée par sa longueur d’onde λ dans le vide ou l’air. Son unité légale est le mètre (m).

-     Le laser rouge utilisé au lycée est une radiation de longueur d’onde λ = 633 nm. 

-     C’est une lumière monochromatique.

-    Remarque : une lumière complexe est un mélange de plusieurs radiations. 

-     Elle n’est pas caractérisée par une longueur d’onde. On lui associe une plage de longueurs d’onde.

4)- Domaine du visible.

-     L’œil humain n’est sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm.

-     La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles.

II- Réfraction de la lumière (En relation avec le TP physique N° 4).

1)- Mise en évidence.

I Expérience : laser + cuve à eau.

-     Observations : on constate que le faisceau lumineux change brusquement de direction quand il franchit la surface de séparation air – eau.

2)- Définition.

-     On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subit à la traversée de la surface de séparation entre deux milieux transparents.

3)- Première loi de Descartes.

-     Vocabulaire :

 

 

 

-     SI : rayon incident et IR rayon réfracté.

-     I : le point d’incidence.

-     NI : normale à la surface de séparation.

-     Le plan d’incidence : on appelle plan d’incidence, le plan qui contient : le rayon incident (SI) et la normale ( IR) au point d’incidence I.

-     Énoncé de la première loi de Descartes : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.

4)- Deuxième loi de Descartes.

-     L’angle de réfraction i2 est généralement différent de l’angle d’incidence i1.

-     Lorsque l’on trace sin i1= f (sin i2), la courbe obtenue est une droite qui passe par l’origine. 

-     En conséquence :

-    sin i1= k .  sin i2

-     Ceci constitue la deuxième loi de Descartes.

5)- Indice de réfraction.

-     Pour une radiation donnée, un milieu transparent homogène est caractérisé par un indice de réfraction n.

n

 c  

 v  

n est un nombre qui n’a pas d’unité et  n 1

n indice de réfraction

c vitesse de la lumière dans le vide (m / s)

v vitesse de la lumière dans le milieu considéré (m / s)

 

 

-     Remarque :  comme c   v alors n 1.

-     Retour sur la relation précédente  :  sin i1= k .  sin i2

-     Question : que représente la grandeur k ?

-    Le rayon lumineux passe du milieu 1 d’indice n1 au milieu 2 d’indice n2

-     Le coefficient k représente le quotient de l’indice de réfraction du milieu 2 et de l’indice de réfraction du milieu 1.

-     On écrit :  

k

 n 1  

 


 n 2  

-     La deuxième loi de Descartes s’écrit  : n1. sin i1= n2 sin i2  (1).

III- Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière blanche ?

-     Schéma.

 

-     Lorsqu’une lumière arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions : une sur la face d’entrée et une sur la face de sortie.

-     Deuxième loi de la réfraction  : n1. sin i1= n2 sin i2  (1).

-     Le trajet d’une radiation dépend de l’indice du prisme car l’angle d’incidence est le même pour les différentes radiations qui constituent la lumière blanche.

-     Le trajet d’une lumière dans le prisme dépend de sa couleur. 

-     Or ce trajet dépend de l’indice du prisme. 

-     L'indice du prisme dépend de la fréquence ou de la longueur d’onde dans le vide de la radiation.

-     L’indice de réfraction d’un milieu transparent dépend de la longueur d’onde (dans le vide) de la radiation qui s’y propage.

-     Exemple : 

Pour le verre ordinaire : n rouge = 1,510 n bleu = 1,520
Pour l’eau : n rouge  = 1,330 n bleu = 1,336

 

-     Avec cabri géomètre : figure prisme.

 

 

IV- Applications.

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Exercice 4 page 54

Exercice 12 page 55

Exercice 13 page 55

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Exercice 22 page 57

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II - Exercice 7 page 208.

III - Exercice 8 page 208.

IV - Exercice 16 page 208.

V - Exercice 17 page 208.

VI - Exercice 18 page 208.

VII - Exercice 26 page 210.