CPHY 224 Loi De Snell Descartes Fiche Professeur

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Document du professeur 1/13 Niveau 2nde Physique – Chimie THEME : L’UNIVERS LA REFRACTION : LOIS DE SNELLDESCARTES Programme : BO no 4 du 29 avril 2010 L’UNIVERS or 14 Sni* to View NOTIONS ET CONTE COMPETENCES ATTE Les étoiles : fanalyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l’utilisation de systèmes dispersifs. Dispersion de la lumière blanche par un prisme. Pratiquer une démarche expérimentale sur la Réfraction. réfraction Lois de Snell-Descartes. Pré requis : en mathématiques

En mathématiques (BO spécial n06 du 28 août 2008) Connaissances Le Soleil, les étoiles et les lampes sont des Pratiquer une démarche expérimentale mettant sources primaires ; la Lune, les planètes, les en jeu des sources de lumière, des objets objets éclairés sont des objets diffusants. diffusants et des obstacles opaques. Pour voir un objet, il faut que l’œil en reçoive de la lumière. Le laser présente un danger pour l’œil. Identifier le risque correspondant, respecter les règles de sécurité. La lumière se propage de façon rectiligne.

Le trajet rectiligne de la lumière est modélisé ar le rayon lumineux. Faire un schéma normalisé du rayon lumineux en respectant les conventions. @ PIERRON 2011 Réfraction de

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la lumière (page 1) Document du professeur 2/13 Mots-clé o Réfraction o Dioptre, interface o Normale o Rayon de lumière o Rayon incident, rayon réfracté o Angle d’incidence, angle de réfraction Liste de matériel : Professeur o Source laser de classe 2 12 réfraction mesurés, le calcul du sinus des angles, puis une représentation en nuage de points avec courbe de tendance. une explicatlon peut être demandée aux élèves quant ? l’utilisation d’hémi cylindres : il n’est pas orcément évident pour eux de voir que la normale est confondue avec le rayon de l’hémi cylindre ce qui explique pourquoi il n’y a pas de réfraction sur la face arrondie. o Pour amener la situation déclenchante, de nombreuses expériences existent : on peut utiliser un aquarium avec un laser, un dispositif aimanté sur tableau métallique, ou une cuve hémi cylindrique posée sur le bureau avec une caméra reliée à un vidéoprojecteur. Il est bon d’ajouter de la fluorescéine dans l’eau pour mieux matérialiser le faisceau laser. o On rappelle que les lois de la réfraction ne valent qu’en lumière onochromatique puisque l’indice de réfraction dépend de la couleur de la lumière. On expliquera cela aux élèves dans le paragraphe IV consacré à la dispersion de la lumière.

Réfraction de la lumière (page 2) Document du professeur 3/13 Applications Ce qui suit est à proposer ou non aux élèves selon le temps imparti pour le T. p. et son avancement. Milieux non homogènes . On a vu que dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. Que se passe-t-il lorsque le milieu présente un indice qui varie à l’intérieur du milieu ? Regarder la photo ci-dess PAGF n découpant le milieu en couches successives homogènes, infiniment proches les unes des autres.

On applique de proche en proche la loi de Descartes sur la réfraction : nl On 2 D n3 C] et comme, nl sin il On 2 sin i2 0 alors : i I Oi2 i3 Milieu • indice n4 Milieu (3) , • indice n3 Milieu (2) ; indice n2 Milieu (1) ; indice nl il Cuve d’eau sucrée non homogène : Dans la cuve, si le sucre n’est pas réparti de façon homogène, c’est-à-dire si on a laissé le sucre se dissoudre lentement sans mélanger, sa concentration est plus élevée au fond qu’en haut ; l’indice optique du milieu st différent en bas et en haut : plus l’eau est sucrée, plus son indice est grand. Le rayon de lumière est courbé vers le bas.

Laser Cuve d’eau nonuniformé du ciel Prolongements 1. Modélisation de la lumière La modélisation complète de la lumière est complexe. Elle présente deux aspects • Aspect corpusculaire : Après une ébauche au XVIIe par NEWTON, en 1905 EINSTEIN, s’appuyant sur les travaux de PLANCK concernant la théorie des quanta, développe un modèle corpusculaire de la lumière en assimilant celle-ci à des grains d’énergie, appelés photons. Chacun de ces photons de asse nulle, se déplace à la célérité c = 2,998. 108m. s-1 dans le vide, et possède une énergie est E = h. Û , où h est la constante de Planck 6,626. 0-34J. s) et la fréquence du photon. Notons que ce modèle est également quantique : chaque photon, est une entité d’énergie insécable. Ce modèle corpusculaire quantique permet d’interpréter certains phénomènes comme les interactions lumière / matière dans le cas de Peffet photoélectrique par exemple. Aspect ondulatoire HUYGENS (fin XVIIe), puis FRESNEL (fin XVIIIe) et MAXWELL (fin XIXe) développent par ailleurs un modèle ndulatoire • la lumière est assimilée à une onde électromagnétique, qui oscille sinusoïdalement en fonction du temps et de l’espace et se propage à une vitesse c 2,998. 08m. s-1 dans le vide. Ce modèle ondulatoire permet d’interpréter certains phénomènes comme les interférences et la diffraction. Dualité onde – corpuscule : En fait, certaines expériences ont montré que la lumière n’est ni seulement un flux de photons, ni seulement une onde, mais les deux à la fois, ce qui nécessite de construire un concept englobant ces deux descri tions. C’est ce que l’on appelle la dualité ule, objet du travail de L eux descriptions.

C’est ce que ron appelle la dualité onde-corpuscule, objet du travail de Louis De BROGLIE (1924) et de FEYNMAN (Electrodynamique quantique 1950). Réfraction de la lumière (page 4) Document du professeur 5/13 2. Caractéristiques de la lumière Vitesse de propagation ou célérité dans le vide : c = 299 792 458 ms-l La lumière peut se propager même en l’absence de milieu matériel, c’est-à-dire même dans le vide Dans un milieu materiel, la lumiere se propage à une vitesse v plus faible que dans le vide : v = c/n où n est l’indice optique de réfraction du milieu. est ici un indice absolu oujours supérieur à 1. Notons que Pair a un indice de réfraction de l’ordre de 1,00029 (? 1 bar et TC), qui sera souvent assimilé ? Cette vitesse de propagation ou célérité de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la fréquence, c’est-à-dire de la couleur de la lumière. On peut dans certains cas modéliser ce phénomène par la loi de Cauchy : n A + où A et B dépendent des propriétés microscopiques du milieu et où est la longueur d’onde de la lumière dans le milieu considéré.

En règle générale, c’est la fréquence qui détermine la couleur de a lumière et non la longueur d’onde puisque celle-ci varie selo anmoins on peut se servir PAGF 6 OF Classe : Date Thème : L’Univers LA RÉFRACTION : LOIS DE SNELLDESCARTES Objectifs : Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle ? partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.

Mettre en évidence et expliquer e phénomène de dispersion de la lumière blanche l. Situation problème Observons la photo ci-dessous : que se passe t-il souvent lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre ? Sa propagation n’est pas constamment rectiligne. Elle change de irection. A l’interface, appelé dioptre, entre l’air et le verre, le rayon de lumière est dévié de sa trajectoire : on dit qu’il est réfracté.

Influence de la direction de la lumiere incidente arrivant sur un bloc de verre sur la direction de la lumière émergeant de ce bloc Depuis longtemps les scientifiques ont constaté que la lumière se divise lorsqu’elle arrive à la surface de séparation, ou interface, entre deux milieux, une partie étant réfléchie, l’autre subissant une déviation au passage dans (1175-1253) stipule que l’angle de réfraction est égal à la moitié de l’angle d’incidence.

Cette proposition ne tenant pas compte du milieu de propagation a été rapidement abandonnée C’est en 1611 qu’apparaît une autre loi de la réfraction dans le « Dioptrique » de KEPLER : elle est énoncée sous la forme simplifiée nlil = n2i2,. Réfraction de la lumière (page 6) Document du professeur 7/13 Il faut attendre le début du XVIIe siècle avec Willebrord SNE (1580-1626) puis René DESCARTES (1596-1650) pour qurune nouvelle loi de la réfraction soit publiée sous la forme nl sin il = ri2 sin i2.

Peut-on retrouver par des mesures expérimentales, la véritable loi, celle de Kepler ou celle de Snell-Descartes, qui régit le comportement du faisceau de lumière lors d’un changement de milieu ? De quoi dépend la déviation du faisceau de lumière ? Il. Principe 1. Plan d’incidence On dirige un faisceau de lumière appelé faisceau incident vers la surface de l’eau en le positionnant de façon à ce qu’il voyage dans un plan perpendlculaire à cette surface. Une plaque translucide est plongée verticalement dans l’eau de façon à être tangente au faisceau émergeant dans le liquide.

Décrire la trajectoire du faisceau de lumière dans l’air et dans l’eau et indiquer ce qui se erpendiculaire au dioptre dans lequel le faisceau incident voyage dans l’air est appelé « plan d’incidence » Le plan formé par le rayon réfracté et la normale au dioptre s’appelle le « plan de réfraction Le plan d’incidence et le plan de réfraction sont-ils les mêmes ? Le plan d’incidence est perpendiculaire au plan de séparation des deux milieux. Le rayon réfracté sy déplace : les plans d’incidence et de réfraction sont confondus.

Conclusion Le rayon de lumière réfracté se déplace dans le plan de réfraction confondu avec le plan d’Incidence défini par le rayon incident et la normale à la surface e séparation des deux milieux. Réfraction de la lumière (page 7) Document du professeur 8/13 2. Vocabulaire de la réfraction Les lois de la réfraction seront étudiées en utilisant le demi- cylindre en [email protected] qui possède un indice de réfraction « n » que l’on va mesurer précisément.

On étudie le comportement des rayons de lumière à l’interface entre les deux milieux d’indices différents que sont l’air et le [email protected] On rappelle que par définition, le « dioptre » est la surface de séparation entre deux milleux. Le point d’incidence I est l’intersection du rayon incident et du ioptre Le plan d’incidence est défini par le rayon incident et la normale ? la surface de séparation au point d’incidence. Elle sert de référence pour mesurer les angles. il est l’angle d’incidence, i2 est l’angle de réfraction.

Compléter le schéma cl-dessous avec les mots « rayon incident » et rayon réfracté » rayon incident rayon réfracté Ill. Mise en évidence du phénomène et mesures 1 . Montage expérimental pour l’étude du passage de la lumière de l’air vers le [email protected] Le matériel se compose d’ une source de lumière monochromatique, n un demi-cylindre en [email protected], n plateau gradué angulairement, PIERRON 2011 Réfraction de la lumière (page 8) Document du professeur 9/13 Faire coïncider la normale, c’est-à dire la perpendiculaire à la surface de séparation du demicylindre avec la graduation « O » du disque.

Lire directement les angles d’incidence et de réfraction en utilisant la trace des rayons lumineux comme indiqué sur le schéma ou sur la photo. On lit : il = 400, i2 280. 2. Les mesures Commencer par éclairer la partie « plate » du demi -cylindre avec le faisceau de lumière sous incidence normale : dans ce cas le faisceau de lumière est perpendiculaire à la surfa