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Phys. N° 03 |
Réfraction et dispersion dans l'atmosphère. Cours |
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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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3)-
Première loi de Descartes.
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II- Dispersion de la
lumière blanche par un prisme.
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III- Réfraction de la
lumière dans
l’atmosphère terrestre.
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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. |
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1)- Exercice 6 page 49 : Connaitre le
phénomène de réfraction. 2)- Exercice 11 page 49 : Étudier
quantitativement la réfraction. 3)- Exercice 23 page 52 : La pierre qui
brille. 4)- Exercice 25 page 52 : Détermination d’un indice de réfraction (méthode graphique) |
I- Réfraction de la lumière (en relation avec le TP physique N° 4).
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.
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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.
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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.
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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 |
- Pour une radiation donnée, un milieu transparent homogène est caractérisé par un indice de réfraction n.
- Relation :
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n : indice de réfraction |
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c : vitesse de la lumière dans le vide en m / s |
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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.
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On écrit :
- La deuxième loi de Descartes s’écrit :
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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
- Schéma.
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- 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.
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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 :
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Radiation rouge |
Radiation bleue |
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Verre ordinaire |
n rouge = 1,510 |
n bleue = 1,520 |
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Eau |
n rouge = 1,330 |
n bleue = 1,336 |
- Avec cabri géomètre : figure prisme.
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III- Réfraction de la lumière dans l’atmosphère terrestre.
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- 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
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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 ne soit levé ou après qu’il soit couché.
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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.
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