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Réflexion et réfraction de la lumière

I. Propagation de la lumièreI.1. Propagation rectiligne de la lumière

Dans un milieu matériel homogène et transparent la lumière se propage en ligne droite depuis la source jusqu’à l’œil de l’observateur. On modélise le trajet de la lumière par une ligne droite orientée par des flèches pour connaître le sens de parcours

I.2. Vitesse de la lumière

Dans le vide la vitesse de propagation de la lumière est appelée célérité et elle est de 3,00∗108m / s . Cette vitesse ne peut pas être dépassée, c’est la vitesse maximale connue. Dans la vie quotidienne les vitesses sont bien bien plus faibles !Par exemple une navette spatiale n’atteindra que 7,8∗103m /s c’est à dire presque 100 000 fois moins rapide.

Selon le milieu matériel traversé la vitesse de la lumière ne sera pas la même, par exemple :

Milieu Vitesse de propagation dela lumière

eau 2,25∗108m / s

verre 2∗108m /s

diamant 1,25∗108m / s

Remarque : Pour nous qui travaillerons souvent dans l’air ambiant nous prendrons la vitesse dans le vide.

Exercice 1 : Une voiture lancée sur une autoroute allemande a une vitesse de 170km/h.1. Convertir cette vitesse en m/s2. Faire le rapport Vitesse de lalumière

Vitesse de la voiture3. Conclure

Exercice 2 : Une année lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. Calculer cette distance en mètre puis en km.

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I.3. Indice optique d’un milieu matériel

Chaque milieu transparent est caractérisé par son indice optique, qui s’exprime sans unité et qui est noté n. Il est défini par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et celle dans le milieu (v) :

n= cv

Exercice 3 : En utilisant les données de la page 1, calculer les indices optiques pour :• L’eau• Le verre• L’air • Le diamant

Remarque : L’indice optique est aussi appelé indice de réfraction.

II. Lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfractionII.1. Vocabulaire

On appelle dioptre une interface entre deux milieux d’indice optique différents.Le rayon lumineux qui arrive sur le dioptre est appelé rayon incident et on mesure l’angle incident entre ce rayon et la normale au dioptre (perpendiculaire à l’interface).

Exercice 4 : Compléter le schéma ci dessous avec le vocabulaire en gras :

II.2. La réflexion

Le phénomène de réflexion se produit lorsque le rayon incident est renvoyé par une surface réfléchissante et reste dans le même milieu. Le rayon obtenu après réflexion est appelée rayon réfléchi et l’angle qu’il fait avec la normal (i’) est égal à l’angle incident (i):

i=i ’

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Exercice 5 : On considère le système de deux miroirs représentés en noirs suivants, dessiner en rouge le trajet du rayon incident après les deux réflexions sur les miroirs.

II.3. La réfraction

Le phénomène de réfraction se produit lorsque la lumière traverse la surface séparant deux milieux transparents (dioptre) elle subit généralement un changement de direction : c’est la réfraction

Lors de la traversée du plexiglas la lumière subit deux réfraction : l’une à l’interface air-plexi et la seconde à l’interface plexi-air.Pour la réfraction il existe une loi reliant les angles incident, réfracté et les indices optiques des deux milieux :

n1sin (i)=n2sin (r)

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Remarque : Comme pour l’angle incident et l’angle de réflexion, l’angle de réfraction est pris par rapport à la normale au dioptre.

Exercice 6 : Un rayon LASER éclaire l’une des faces d’un diamant avec un angle par rapport à la normal de 60°. Connaissant nair=1,00 et ndiamant=2,43 , calculer l’angle entre la normal au dioptre et le rayon réfracté.

La réfraction s’accompagne toujours en partie du phénomène de réflexion. Sur cette photo les rayons lumineux venant de la montagne sont en partie réfractés (on voit la montagne si on garde les yeux ouverts sous l’eau) et en partie réfléchis (on voit la montagne à la surface de l’eau).

Exercice 7 : On considère un rayon incident venant du sommet de la montagne avec un angle par rapport à l’horizontale de 15°.

1. Faire un schéma de la situation en légendant le dioptre, la normale et les deux milieux optiques considérés.

2. Représenter un rayon incident et un rayon réfléchi3. Calculer l’angle de réfraction et représenter un rayon réfracté sur le même

schémaDonnée : On considéra que l’indice optique de l’eau du lac est de 1,33

Exercice 8 : On considère l’expérience ci-contre :

1. Indiquer les légendes suivantes : rayon incident,rayon réfléchi, rayon réfracté, dioptre.

2. Lire sur la photo l’angle incident et l’angle deréfraction.

3. Sachant que l’indice de l’air est de 1,00, calculerl’indice optique du plexiglas

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Exercices d’entraînement

On rappelle pour l’ensemble des exercices que nair=1,00

Exercice 9 : Enquête au labo de chimieRobin et Juliette disposent de deux flacons A et B qui ont perdu leur étiquette : l’un contient de l’éthanol ( n1=1,361 ) et l’autre contient du cyclohexane( n2=1,426 ). Pour les identifier ils décident de verser chaque liquide dans un récipient et d’observer la réfraction d’un faisceau laser rouge.

1. Pour quel liquide le faisceau est-il le plus dévié ?2. Avec le liquide du flacon A, un rayon lumineux arrivant sur la surface libre du

liquide, avec un angle de 40° par rapport à la verticale, se propage dans le liquide, avec un angle de 28° avec la verticale. De quel liquide s’agit-il ?

3. Déterminer l’angle de réfraction mesuré, dans les mêmes conditions d’incidence, avec le liquide du flacon B.

Exercice 10 : Afin de déterminer l’indice optique d’un morceau de verre Robin et Juliette se remette au travail et réalisent le montage schématisé ci-dessous. Le morceau de verre y a été représenté en orange. Alors que Robin fait varier l’angle incident, Juliette mesure chaque fois le nouvel angle réfracté. Ils décident de regrouper les valeurs obtenues dans le tableau suivant :Angle incident

5 10 15 20 25 30 35 40

Angle réfracté

3 7 10 13 17 20 23 26

Schéma de l’expérience :

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1. Recopier le tableau et compléter le avec une ligne « sin(i) » et une ligne « sin(r) ». Ce travail peut-être fait grâce à un tableur.

2. Tracer la courbe sin(i) en fonction de sin(r). Expliquer pourquoi on obtient une droite.

3. Écrire la relation de Snell-Descartes mise en jeu ici et trouver un moyen pour calculer le plus précisément possible l’indice optique du verre utilisé

BONUS : Expliquer les différences entre les deux expériences des exercices 9 et 10.

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