Dispersion et réfraction de la lumière

 

 

I. La réfraction de la lumière

1. Expérience

Un faisceau laser émis vers la surface de l’eau change de direction lorsqu’il passe de l'air dans l'eau.

Phénomène optique dû à la réfraction de la lumière

Une onde lumineuse, comme toutes les ondes, peut subir une réfraction lorsqu’elle change de milieu de propagation.

 

Définition: On appelle réfraction le changement de direction subit par la lumière lorsqu'elle traverse la surface séparant deux milieux transparents.

 

2. Lois de la réfraction

Une paille placée dans l’eau parait cassée à l’interface air-eau à cause du phénomène de réfraction

Soient i₁ l’angle d'incidence et i₂ l’angle de réfraction.

Définition: Le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface s’appelle le plan d'incidence.

 

Première loi de Descartes:

Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence.

 

 

Deuxième loi de Descartes:

Angle d'incidence et angle de réfraction sont liés par la relation:

n 1 sin i 1 = n 2 sin i 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeaacaGaaiaabaqaamaaeaqbaaGcbaWaauIhaeaacaWGUbWaaSbaaSqaaiaaigdaaeqaaOGaci4CaiaacMgacaGGUbGaamyAamaaBaaaleaacaaIXaaabeaakiabg2da9iaad6gadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGcciGGZbGaaiyAaiaac6gacaWGPbWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaaaaaaa@45D4@  avec { n 1 : indice de réfraction du milieu 1 n 2 : indice de réfraction du milieu 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=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@77DC@

Remarques:

 

·   L'indice de réfraction n d'un milieu transparent est supérieur ou égal à 1: ( n≥1 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeaacaGaaiaabaqaamaaeaqbaaGcbaGaamOBaiabgwMiZkaaigdaaaa@3ACD@  ).

·   L'indice de réfraction de l'air est très peu différent de 1.

·   Lorsque le rayon incident est dans l'air, on peut écrire: sini=nsinr MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeaacaGaaiaabaqaamaaeaqbaaGcbaWaauIhaeaaciGGZbGaaiyAaiaac6gacaWGPbGaeyypa0JaamOBaiGacohacaGGPbGaaiOBaiaadkhaaaaaaa@412E@

 

 

II. Dispersion de la lumière blanche par un prisme

1. Expérience

En passant à travers le prisme, la lumière blanche est transformée en lumières colorées.

On dit que le prisme décompose la lumière blanche.

La figure colorée obtenue est appelée spectre.

Explication: La lumière blanche est constituée de plusieurs lumières (ou radiations) colorées. On dit que la lumière blanche est polychromatique. Les différentes radiations qui composent la lumière blanche sont séparées par le prisme.

Le CD décompose la lumière blanche

 

Contrairement à la lumière blanche, la lumière du laser n'est pas décomposée en un spectre.

Explication: La lumière du laser est constituée d'une seule lumière (ou radiation) colorée. La lumière du laser est monochromatique.

 

2. Notion de longueur d'onde

A chaque couleur correspond une grandeur physique appelée longueur d'onde et notée λ MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeaacaGaaiaabaqaamaaeaqbaaGcbaGaeq4UdWgaaa@390D@ . La longueur d’onde s’exprime en mètres.

Spectre de la lumière blanche

 

Le spectre de la lumière blanche contient toutes les radiations auquel l'oeil humain est sensible, c'est à dire toutes les radiations dont la longueur d'onde est comprise entre 400nm et 800nm (1nm=10^-9m).

 

3. Milieu dispersif

Les différentes radiations qui composent la lumière blanche ne sont pas déviées de la même façon par le bloc de verre (le bleu est plus dévié que le rouge).

L'indice de réfraction du bloc de verre dépend donc de la longueur d'onde de la radiation lumineuse qui le traverse.

On dit que le milieu (ici le bloc de verre) est dispersif.

Définition: On appelle milieu dispersif un milieu transparent dont l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde.

C'est à cause du phénomène de dispersion que la lumière blanche est décomposée par un prisme.

 

L'arc en ciel est du à la décomposition de la lumière solaire (lumière blanche) par les gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère.