Phys. N° 03

Réfraction et

dispersion

dans l'atmosphère.

Cours

 

   

 

 

Mots clés :

Cours de physique seconde

Réfraction de la lumière, indice de réfraction,

 Loi de Descartes-Snell,

dispersion de la lumière blanche par un prisme,

Le phénomène de dispersion

arc-en-ciel, mirage, position des Astres, ...

 

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I- Réfraction de la lumière. PAGEREF _Toc276309619 \h

1)- Mise en évidence.

2)- Définition.

3)- Première loi de Descartes.

4)- Deuxième loi de Descartes.

5)- Indice de réfraction.  

II- Dispersion de la lumière blanche

 par un prisme.

1)- Le phénomène de dispersion.

2)- Explication :  

 

 

III- Réfraction de la lumière dans

l’atmosphère terrestre.

1)- L’arc-en-ciel.

2)- Les mirages.

3)- La position des Astres.  

IV- Applications.

1)- QCM.        QCM

2)- Exercices :      Exercices

 TP Réfraction de la lumière
 TP Physique N° 04

QCM 01 Sous forme de tableau.

QCM 02 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy Pour s'auto-évaluer.

QCM 02 Questy Pour s'auto-évaluer.

Exercices :  énoncé avec correction

a)-  Exercice 3 : Indice de réfraction.

b)-  Exercice 4 : De l’eau dans l’air.

c)-  Exercice 7 : L’arc-en-ciel.

d)-  Exercice 8 : Les mirages.

e)-  Exercice 10 : Exploiter une expérience de dispersion.

f)-   Exercice 14 : Construire et exploiter une représentation graphique.

 

I- Réfraction de la lumière (en relation avec le TP physique N° 4). TP Physique N° 04

1)- Mise en évidence.

    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.

Réfraction :

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 (NI) 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.

Énoncé de la 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

5)- Indice de réfraction.

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

-        Relation :

n : indice de réfraction

c : vitesse de la lumière dans le vide en m / s

v : vitesse de la lumière dans le milieu transparent en 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 :

-        La deuxième loi de Descartes s’écrit :

n1 . sin i1 = n2 . sin i2  (1)

 

 

II- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

1)- Le phénomène de dispersion.

-     La dispersion de la lumière blanche est la séparation des différentes radiations lors de la réfraction.

 

 

 

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Animation CabriJava

2)- Explication :

-        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.

-        En conséquence, l’indice de réfraction  du prisme dépend de la longueur d’onde dans le vide de la radiation qui le traverse.

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

-        Exemple :

 

Radiation rouge

Radiation bleue

Verre ordinaire

n rouge = 1,510

n bleue = 1,520

Eau

n rouge = 1,330

n bleue = 1,336

 

-        Avec cabri géomètre : figure prisme.

 

 

III- Réfraction de la lumière dans l’atmosphère terrestre.

1)- L’arc-en-ciel.

 

 

-     La formation de l’arc-en-ciel s’interprète par la dispersion de la lumière solaire dans les gouttes de pluies.

Animation CabriJava : arc-en-ciel

 

-     1 : le faisceau de lumière blanche issue du Soleil arrive à la surface d’une goutte d’eau en suspension dans l’air.

-     2 : lors du changement de milieu transparent, passage air – eau, le faisceau de lumière se réfracte et ses différentes radiations se dispersent.

-     3 : les radiations se réfléchissent au fond de la goutte d’eau.

-     4 : en sortant de la goutte d’eau, les radiations subissent une nouvelle réfraction, lors du passage eau – air, cette deuxième réfraction accentue l’étalement des couleurs.

-     Pour observer un arc-en-ciel, il faut avoir la pluie devant soi et le Soleil dans le dos.

 

http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/arc_en_ciel/arc_en_ciel.html

 

2)- Les mirages.

-     En été, sur les routes chauffées par le Soleil, on peut avoir l’impression de voir des flaques d’eau au loin.

-     Lorsque l‘on s’approche, ces flaques disparaissent.

-   Cette illusion d’optique est un mirage.

 

-     La température de l’air n’est pas homogène.

-   Au niveau du sol, la température de l’air est plus élevée, et elle diminue avec l’altitude.

-     L’indice de réfraction de l’air diminue lorsque la température augmente.

-     Les rayons de lumière provenant d’un objet traversent des couches d’air d’indices différents et subissent des réfractions successives, jusqu’à un angle limite au-delà duquel ils sont réfléchis (ils subissent une réflexion totale).

-     Un observateur a l’impression de voir l’objet dans la direction des rayons qui atteignent son œil.

 

 

 

 

3)- La position des Astres.

 

-     La réfraction de la lumière dans l’atmosphère donne du Soleil une image aplatie lorsqu’il est proche de l’horizon.

-     À cause de la réfraction, le Soleil, la Lune ou les étoiles peuvent être visibles au-dessus de l’horizon alors qu’en réalité ils sont déjà couchés ou pas encore levés.

 

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-     Le Soleil est perçu au-dessus de sa position réelle par l’observateur.

-   Cela allonge la durée du jour. On voit le Soleil avant qu’il soit levé ou après qu’il soit couché.

 

IV- Applications.

1)- QCM.

QCM 01 Sous forme de tableau.

QCM 02 Sous forme de tableau.

QCM 01 Questy Pour s'auto-évaluer.

QCM 02 Questy Pour s'auto-évaluer.

 

2)- Exercices : Exercices :  énoncé avec correction

a)-  Exercice 3 : Indice de réfraction.

b)-  Exercice 4 : De l’eau dans l’air.

c)-  Exercice 7 : L’arc-en-ciel.

d)-  Exercice 8 : Les mirages.

e)-  Exercice 10 : Exploiter une expérience de dispersion.

f)-   Exercice 14 : Construire et exploiter une représentation graphique.