Réfraction de la lumière et dispersion par un prisme
Réfraction de la lumière et dispersion par un prisme
Quand la lumière passe d'un milieu transparent à un autre, elle change de direction : c'est la réfraction ; et comme chaque couleur est déviée un peu différemment, un prisme sépare la lumière blanche en arc-en-ciel : c'est la dispersion.
Objectifs
- Définir la réfraction et la reconnaître dans la vie courante.
- Nommer et tracer : rayon incident, rayon réfracté, point d'incidence, normale, angles d'incidence et de réfraction.
- Prévoir si le rayon réfracté se rapproche ou s'éloigne de la normale.
- Décrire la dispersion de la lumière blanche par un prisme et expliquer l'arc-en-ciel.
1. Le phénomène de réfraction
La réfraction est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents différents (air et eau, air et verre…).
Le vocabulaire de la réfraction
- Surface de séparation : la limite entre les deux milieux.
- Point d'incidence I : le point où le rayon arrive sur la surface.
- Normale : la droite perpendiculaire à la surface au point I (tracée en pointillés).
- Rayon incident : le rayon qui arrive ; rayon réfracté : le rayon qui continue dans le second milieu.
- Angle d'incidence \(i\) : entre le rayon incident et la normale. Angle de réfraction \(r\) : entre le rayon réfracté et la normale.
Suis la construction du schéma d'un rayon qui passe de l'air dans l'eau.
On trace la normale : la perpendiculaire à la surface de l'eau au point d'incidence I.
Le rayon incident arrive dans l'air en faisant un angle \(i\) (ici 45°) avec la normale.
Dans l'eau, le rayon réfracté fait un angle \(r\) plus petit (environ 32°) : il se rapproche de la normale.
À ton tour : retrouve chaque élément sur le schéma.
Un rayon passe du verre vers l'air avec un angle d'incidence de 30°. Que peut-on dire de l'angle de réfraction ?
Exemple résolu 1 : le poisson de Kofi
Kofi voit un poisson dans un bassin à Ouidah et veut le toucher avec un bâton. Doit-il viser l'endroit où il voit le poisson, plus haut ou plus bas ? Cherche d'abord.
2. La dispersion de la lumière par un prisme
Un prisme est un bloc de verre transparent à faces planes, souvent à base triangulaire. Quand un pinceau de lumière blanche le traverse, il subit deux réfractions (en entrant puis en sortant) et ressort étalé en une bande de couleurs : le spectre de la lumière blanche.
Un pinceau de lumière blanche arrive sur la première face du prisme.
En entrant dans le verre, il est réfracté ; chaque couleur est déviée d'un angle légèrement différent : les couleurs commencent à se séparer.
À la sortie, une seconde réfraction écarte encore les couleurs, vers la base du prisme : le rouge est le moins dévié, le violet le plus dévié. Sur un écran, on voit le spectre.
flowchart LR A[Lumiere blanche] --> B[Refraction a l entree du prisme] B --> C[Chaque couleur deviee differemment] C --> D[Refraction a la sortie] D --> E[Spectre du rouge au violet]
Une lumière formée d'une seule couleur, comme celle d'un laser rouge, est dite monochromatique : le prisme la dévie mais ne la décompose pas. La lumière blanche, elle, est polychromatique.
Exemple résolu 2 : l'arc-en-ciel
Explique pourquoi on voit un arc-en-ciel quand il y a à la fois du soleil et des gouttes de pluie dans l'air.
Voir la solution
Chaque goutte d'eau se comporte comme un petit prisme : la lumière blanche du soleil y est réfractée en entrant, réfléchie au fond de la goutte, puis réfractée en sortant. Chaque couleur ressort avec une direction un peu différente : la lumière est dispersée. Des milliers de gouttes renvoient ainsi les couleurs vers l'observateur, qui a le soleil dans le dos : il voit le spectre en forme d'arc.
Après un prisme, quelle couleur de la lumière blanche est la plus déviée ?
On envoie le faisceau d'un laser vert sur un prisme. Qu'observe-t-on sur l'écran ?
Erreurs fréquentes
Récapitulatif
- Réfraction : changement de direction de la lumière à la traversée de la surface entre deux milieux transparents.
- Angles mesurés par rapport à la normale. Air vers eau ou verre : le rayon se rapproche de la normale ; dans l'autre sens, il s'en éloigne.
- Dispersion : un prisme sépare la lumière blanche en un spectre, du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié).
- L'arc-en-ciel est une dispersion de la lumière du soleil par les gouttes de pluie.
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