TP 17 Propagation de la lumière Propagation de la lumière
Objectifs
Objectifs de la séance : de la séance :
- Étudier la loi de la réfraction de la lumière ; - Déterminer l’indice de réfraction d’un milieu ;
La fibroscopie est une technique médicale permettant d’explorer les organes à l’intérieur du corps. Un dispositif de fibroscopie comprend deux fibres optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre transmet l’image à l’observateur.
Comment se propage la lumière à l’intérieur d’une fibre optique ?
1) 1) Vocabulaire Vocabulaire
On appelle réfraction de la lumière, le changement de direction qu’elle subit lorsqu’elle traverse la
surface de séparation entre deux milieux transparents.
2) 2) La réfraction de la lumière La réfraction de la lumière
Dispositif expérimental : Protocole expérimental :
Placer le demi-disque de plexiglas sur la plate-forme tournante en respectant les consignes suivantes :
- la tranche du demi-disque coïncide avec l’axe 90-90.
- Le centre du disque coïncide avec le centre de la plaque tournante.
Éclairer la section droite du demi-disque en faisant tourner la plate-forme.
a) Sur le dessin du dispositif expérimental (voir fiche : « Aide pour le compte rendu »), représenter : - le point d’incidence I
- la normale (N)
- l'angle d'incidence, noté i1
- le rayon réfléchi et l'angle de réflexion, noté r, entre la normale et le rayon réfléchi - le rayon réfracté et l’angle réfracté, noté i2, entre la normale et le rayon réfracté
b) Pour différentes valeurs de l’angle d’incidence i1, relever la valeur de l’angle réfracté i2 et compléter le tableau ci- dessous :
i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70
i2 (°) sin i1
sin i2
3)
3) Exploitation des mesures Exploitation des mesures
René DESCARTES était un philosophe et savant français (1596-1650).
On lui attribue la loi de la réfraction (1637) qui fait intervenir le sinus de l’angle d’incidence (sin i1) et le sinus de l’angle de réfraction (sin i2). Cette loi affirme que le rapport sin i2 / sin i1 est constant lorsque la lumière passe d'un milieu transparent à un autre.
René DESCARTES proposa une loi pour le phénomène de la réfraction, appelée plus tard 3ème loi de Snell-Descartes.
a) Quelle est la loi proposée par René DESCARTES ?
b) Représenter le graphe sin i2 (ordonnée) en fonction de sin i1 (abscisse)
c) Modéliser la courbe (suivre les indications du professeur) et indiquer l’équation de la droite obtenue ainsi que son coefficient directeur.
d) Commenter l’allure de la courbe. Qu’en déduisez-vous ?
Les milieux transparents sont caractérisés par leur indice de réfraction : n. Cet indice est un nombre (sans unité) supérieur ou égal à 1 et en général inférieur à 3.
e) A partir de l’équation de la droite obtenue, en déduire la valeur de l’indice du plexiglas.
Donnée : L'indice de réfraction de l'air est 1,0.
4) 4) Conclusion Conclusion
En vous appuyant sur les différentes expériences réalisées, concluez en répondant à la question du début de l’activité.
AIDE POUR LE COMPTE RENDU AIDE POUR LE COMPTE RENDU
Vous devez répondre aux questions en reprenant l’ordre et le numéro des questions Doivent apparaitre dans votre compte-rendu, ce qui suit :
1) 1) Vocabulaire Vocabulaire
Reproduire le schéma, complété, de cette partie sur le compte rendu.
2)
2) La réfraction de la lumière La réfraction de la lumière
a) Dessin annoté du dispositif expérimental :
b) Tableau des mesures :
i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70
i2 (°) sin i1
sin i2
sin i1 / sin i2
3) 3) Exploitation des mesures Exploitation des mesures
La courbe sin i2 = f(sin i1) devra être jointe au compte rendu.
Réponses aux questions a), d) et e) dans l’ordre en respectant la numérotation.
4) 4) Conclusion Conclusion
Votre conclusion (réponse à la question du début de l’activité)
5) 5) Pour aller plus loin Pour aller plus loin
(facultatif)En vous aidant de ce que vous avez vu lors de la séance, d’un dictionnaire ou d’Internet, expliquez, en quelques mots, ce qu’est un mirage.
AIDE
Proposition de DESCARTES :
La relation pour tous les angles d'incidence et de réfraction est :
n1 × sin i1 = n2 × sin i2 sin i2 / sin i1 = n1 / n2 = cte
n
1: indice de réfraction du premier milieu traversé par la lumière.
n
2: indice de réfraction du deuxième milieu traversé par la lumière
Compétences mises en jeu Acquise
En cours d’acquisitio
n
Non acquis
e Je pratique une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes
d’exploration
Je pratique une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale
Je respecte les règles de sécurité élémentaires pour l’utilisation du matériel et des produits Je sais observer et décrire
Je mobilise ma curiosité et ma créativité Je sais mesurer un angle
Normale
dioptre
I Point d’incidence
Rayon réfracté Rayon réfléchi
Angle de réfraction Angle
d’incidence Angle de réflexion
Rayon incident
COMPTE-RENDU COMPTE-RENDU
Objectifs
Objectifs de la séance : de la séance : (0,5 pt)
- Étudier les lois de la réfraction et de la réflexion de la lumière ; - Déterminer l’indice de réfraction d’un milieu ;
- Appliquer les connaissances établies à l’étude d’une fibre optique (fibroscopie – endoscopie).
1) 1) Vocabulaire Vocabulaire
(12 0,5 pt)2) 2) La réfraction de la lumière La réfraction de la lumière
a) Dessin annoté du dispositif expérimental : (7 0,5 pt)
b) Tableau des mesures : (0,5 pt)
i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70
i2 (°) sin i1
sin i2
Présentation : 2 pts
1 2
sin i sin i
3) 3) Exploitation des mesures Exploitation des mesures
a) La loi proposée par René DESCARTES est : lorsque la lumière passe d'un milieu transparent (milieu 1) à un autre (milieu 2), le rapport entre le sinus de l’angle d’incidence i2 et l’angle de réfraction i1 est constant.
Cette loi peut se traduire par la relation :
2 1
sin i
sin i Cte
(1 pt) b) Courbe représentant les variations de sin i1 et de sin i2 : (5 0,5 pt)
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
f(x) = 0.65 x
Courbe sin i2 = f(sin i1)
sin i1 sin i2
d) La courbe obtenue est une droite passant par l’origine (droite linéaire) (0,5 pt). On en déduit donc que les deux grandeurs représentées sont proportionnelles, ce qui est en accord avec la loi de René DESCARTES. (0,5 pt)
e) D’après la loi de Snell-Descartes, on sait que :
2 1
sin i
sin i
Cte
que l’on peut aussi écrire n1 sin i1 = n2 sin i2
Si on applique cette loi à notre situation, on en déduit :
nair sin i1 = nplexiglas sin i2
(milieu 1 : air ; milieu 2 : plexiglas)
2 1
sin i sin i
air plexiglas
n
n
2 1
sin i 1
sin i
n
plexiglasL’équation de la droite expérimentale modélisée est : sin i2 = 0,6539 sin i1
2 1
sin i
0,6539 sin i
En identifiant l’équation de la droite obtenue par modélisation et la loi de Snell- Descartes, on en déduit : nplexiglas = 1,53 (1 pt)
4) Conclusion Conclusion
(2 pts)Votre conclusion (réponse à la question du début de l’activité)
5) 5) Pour aller plus loin Pour aller plus loin
Lorsque la température du sol est différente de celle de l'atmosphère, il existe au voisinage du sol une couche d'air dans laquelle l'indice de réfraction varie rapidement, entraînant pour les rayons lumineux une courbure qui déforme l'image des objets situés au ras du sol. Si le sol est chaud, la courbure est dirigée vers le haut et les objets se doublent d'une image renversée laissant croire à un reflet sur un plan d'eau alors qu'en fait c'est le ciel qui donne cet effet.
Exemple :
Dans les régions polaires, où le sol est très froid, les rayons lumineux sont courbés vers le bas, ce qui fait qu'un objet situé au sol semble flotter en l'air. Ce phénomène rend possible la vision d'objets situés au-delà de l'horizon.
Exemple :
