TP Physique  N° 04

La réfraction

de la lumière. 

Enoncé.

 


I - Définitions.

II - Étude expérimentale.

III - Exploitation des mesures.

IV- Application (si le temps le permet).

 

Programme 2010 :

Programme 2010 : Physique et Chimie

Correction

I- Définitions.

 

II- Étude expérimentale.

1)- Dispositif expérimental.

Rédiger Il comprend : une source lumineuse, un disque qui permet la mesure des différents angles, un demi-disque en Plexiglas. 

-     Faire le schéma du dispositif expérimental.

2)- Mesures.

-     On fait varier l’angle d’incidence i1 en tournant le disque et pour chaque valeur de  i2, on note les valeurs, de l’angle de réflexion  r de l’angle de réfraction  i2.

Rédiger Reproduire et compléter le tableau suivant : 

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

 Animation CabriJava pour réaliser les mesures.

i 1 en °

0

10

15

20

25

30

35

40

45

50

60

70

i 2 en °

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin i 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III- Exploitation des mesures.

1)- Hypothèses.

Depuis l’Antiquité, de nombreux savants se sont penchés sur le phénomène de réfraction. 

Ils ont cherché à établir la loi physique reliant les angles  i1 et  i2.

a)-  Pour Ptolémée (Grec 200 ans AV JC) :

-     Soient i1 et  i'1 deux angles d’incidence et,   i2 et  i'2 les angles de réfraction correspondants.

-     Si i1 > i' alors  i2 > i’2 .

b)-  Pour Grosseteste (Anglais 12 ième – 13 ième siècle).

-      

c)-  Pour Kepler (Allemand 15 ième – 16 ième siècle).

-      i1 = k . i2

d)-  Pour Descartes (Français) et Snell (Hollandais) (16 ième – 17 ième siècle).  

-     sin i1 = k . sin i2

2)- Questions.

a)-  Tester la validité des hypothèses précédentes à l’aide de quelques valeurs du tableau.

b)-  Graphe  :  sin i1 = k . sin i2.

Rédiger Tracer la courbe sin i1 = k . sin i2.

-     Calculer le coefficient directeur k de la droite moyenne. Donner son unité.

-     En déduire la relation liant sin i1 et  sin i2.

-     Conclusions : Donner la loi de la réfraction.

3)- Interprétation.

L’indice de réfraction n :  

par définition,

l’indice de réfraction n d’un milieu transparent et homogène est égal au quotient de la vitesse de la lumière c dans le vide par la vitesse v de la lumière dans le milieu considéré.  

-     Relation : 

n

 c  

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


 v  

-     Remarque : n vide n air 1,0

-     Le coefficient k est égal au quotient de n2, indice de réfraction du milieu 2 (le Plexiglas) par n1, indice de réfraction du milieu 1 (l’air). 

-     En conséquence : 

k

 n 1  

 


 n 2  

Rédiger En déduire la valeur du coefficient de réfraction du Plexiglas.

       Le Plexiglas est-il plus réfringent que l’air ?

IV- Application. (Si le temps le permet).

1)- Passage du milieu 1 (l’air) au milieu 2 (le Plexiglas).

-     Remarque : le milieu 1 (l’air) est moins réfringent que le milieu 2 (le Plexiglas).

Rédiger Comparer les valeurs de i1 et i2 lorsque la lumière passe du milieu 1 (l’air) au milieu 2 (le Plexiglas).

-     Quelle est la valeur prise par  i2 lorsque i1= 90 ° ?

2)- Passage du milieu 1 (le Plexiglas) au milieu 2 (l’air).

-     Il suffit pour passer du milieu 1 (le Plexiglas) au milieu 2 (l’air) de tourner le demi-disque de Plexiglas de 180°.

-     Ainsi, le rayon lumineux traverse d’abord le milieu 1 (le Plexiglas) puis le milieu 2 (l’air).

-     Remarque : le milieu 1 (le Plexiglas) est plus réfringent que le milieu 2 (l’air).

Rédiger Comparer les valeurs de i1 et i2 lorsque la lumière passe du milieu 2 (le Plexiglas) au milieu 1 (l’air).

-     Que se passe-t-il lorsque l’angle i2 devient trop grand ?

-     En déduire la valeur limite i lim qui permet la réflexion totale du rayon lumineux.

a)-  L’indice de réfraction :  

par définition, l’indice de réfraction n d’un milieu transparent et homogène est égal au quotient de la vitesse de la lumière c dans le vide par la vitesse v de la lumière dans le milieu considéré.  

-     Relation : 

n

 c  

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


 v  

-     Remarque : n vide n air 1,0

-     Le coefficient k est égal au quotient de n2, indice de réfraction du milieu 2 (le Plexiglas) par n1, indice de réfraction du milieu 1 (l’air). 

-     En conséquence : 

k

 n1  

 


 n2  

 

Rédiger En déduire la valeur du coefficient de réfraction du Plexiglas. Le Plexiglas est-il plus réfringent que l’air ?

IV- Application. (Si le temps le permet).

1)- Passage du milieu 1 (l’air) au milieu 2 (le Plexiglas).

-     Remarque : le milieu 1 (l’air) est moins réfringent que le milieu 2 (le Plexiglas).

Rédiger Comparer les valeurs de i1 et i2 lorsque la lumière passe du milieu 1 (l’air) au milieu 2 (le Plexiglas).

-     Quelle est la valeur prise par  i2 lorsque i1= 90 ° ?

2)- Passage du milieu 1 (le Plexiglas) au milieu 2 (l’air).

-     Il suffit pour passer du milieu 1 (le Plexiglas) au milieu 2 (l’air) de tourner le demi-disque de Plexiglas de 180°.

-     Ainsi, le rayon lumineux traverse d’abord le milieu 1 (le Plexiglas) puis le milieu 2 (l’air).

-     Remarque : le milieu 1 (le Plexiglas) est plus réfringent que le milieu 2 (l’air).

Rédiger Comparer les valeurs de i1 et i2 lorsque la lumière passe du milieu 2 (le Plexiglas) au milieu 1 (l’air).

-     Que se passe-t-il lorsque l’angle i2 devient trop grand ?

-     En déduire la valeur limite i lim qui permet la réflexion totale du rayon lumineux.