Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)

Fiche de révision : Lumière, propagation, réfraction et dispersion

Propagation rectiligne, vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air, indice optique d’un milieu ; lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction ; tester la loi et déterminer un indice à partir d’une série de mesures ; dispersion de la lumière blanche par un prisme.

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benprofparticulier.frPhysique-Chimie (2nde) · Seconde

Lumière : propagation, réfraction et dispersion

Fiche méthode

(Physique-chimie 2de · Ondes et signaux · Vision et image)

La démarche pour toute question d’optique

1. Je fais un schéma : surface de séparation, point d’incidence, normale en pointillés, milieux et indices.

2. Je repère les angles depuis la normale (angle donné avec la surface : 90° moins cet angle).

3. J’écris la loi : r = i, $n_{1} \sin i_{1} = n_{2} \sin i_{2}$ , $v = c \div n$ ou $Δ t = d \div v$ , puis je calcule.

4. Je contrôle : sens de la déviation, $n > 1$ , unité et nombre de chiffres significatifs.

Le réflexe — tous les angles se mesurent depuis la normale, et la loi de la réfraction porte sur les sinus.

Cas 1 · Vitesse dans un milieu et durée de propagation

Réflexe — $v = c \div n$ ; $Δ t = d \div v = n \times d \div c$ ; distances en m.

Exemple. La lumière traverse 25 cm de verre flint d’indice 1,62. Vitesse et durée ?

$v = 3, 00 \times 10^{8} \div 1, 62 \approx$ $1, 85 \times 10^{8}$ m/s ; $Δ t = 1, 62 \times 0, 25 \div (3, 00 \times 10^{8}) \approx$ $1, 35 \times 10^{- 9}$ s.

Attention — $n = c \div v$ : un indice inférieur à 1 est impossible.

Cas 2 · Appliquer la loi de la réflexion

Réflexe — normale en I ; $r = i$ de l’autre côté ; angle entre les rayons $2 i$ .

Exemple. Un rayon fait 31° avec la surface d’un miroir. Angles ?

$i = 90 - 31 =$ 59°, donc $r =$ 59° ; angle entre les deux rayons : $2 \times 59 =$ 118°.

Attention — les angles se mesurent depuis la normale, jamais depuis le miroir.

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Cas 3 · Calculer un angle de réfraction

Réflexe — milieu 1 = celui d’où vient la lumière ; $\sin i_{2} = n_{1} \sin i_{1} \div n_{2}$ ; touche $\sin^{- 1}$ en degrés.

Exemple. Un rayon passe d’un verre d’indice 1,50 dans l’air avec $i_{1} = 22, 0^{\circ}$ . Angle de réfraction ?

$\sin i_{2} = 1, 50 \times \sin 22, 0^{\circ} \div 1, 00 \approx 0, 562$ , d’où $i_{2} \approx 34, 2^{\circ}$ : le rayon s’écarte de la normale, il passe dans un milieu moins réfringent.

Attention — ne pas diviser les angles : la loi relie les sinus.

Cas 4 · Déterminer un indice par une série de mesures

Réflexe — tableau des sinus ; $\sin i_{1}$ en fonction de $\sin i_{2}$ ; droite par l’origine ; coefficient directeur = $n$ .

Exemple. La droite tracée passe par l’origine et par le point (0,40 ; 0,532). Indice du liquide ?

Coefficient directeur : $0, 532 \div 0, 40 =$ 1,33 : c’est l’indice de l’eau.

Attention — une seule mesure aux petits angles est peu précise : on exploite toute la droite.

Cas 5 · Expliquer la dispersion par un prisme

Réflexe — l’indice dépend de la radiation ; plus grand pour le violet → violet le plus dévié.

Exemple. Verre : 1,62 pour le rouge, 1,66 pour le violet ; $i_{1} = 30, 0^{\circ}$ depuis l’air. Quelle radiation est la plus déviée ?

Rouge : $r \approx 18, 0^{\circ}$ ; violet : $r \approx 17, 5^{\circ}$ . Le violet est plus proche de la normale : il est le plus dévié.

Attention — un laser est dévié, mais pas décomposé : il est monochromatique.

Les pièges

Mesurer un angle depuis la surface au lieu de la normale.
Écrire $i_{2} = n_{1} \times i_{1} \div n_{2}$ (angles au lieu des sinus), ou oublier de régler la calculatrice en degrés.
Calculer $v \div c$ au lieu de $c \div v$ : un indice inférieur à 1 est impossible.
Oublier l’aller-retour quand la lumière revient vers son point de départ.
Croire que le prisme colore la lumière : il sépare des radiations déjà présentes.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

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À propos de cette page

La fiche méthode tient en deux pages : une démarche en quatre étapes pour toute question d’optique, puis un exemple corrigé par cas — vitesse et durée dans un verre flint, réflexion sur un miroir, réfraction du verre vers l’air, indice lu sur une droite, radiation la plus déviée par un prisme — et cinq pièges classiques.

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