T.P. de Physique - Les lois de la réfraction

Rappel :

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite.

A / Définitions et mise en évidence de la réfraction

            1 / Mise en évidence

Schéma :

Le rayon lumineux qui arrive à la surface de séparation entre les deux milieux (air et eau) est appelé rayon incident.

Celui qui est renvoyé dans le milieu d’origine est le rayon réfléchi.

Celui qui passe dans le deuxième milieu, tout en étant dévié, est le rayon réfracté.

Le point d’incidence est le point où le rayon incident arrive à la surface.

La normale est la droite qui est perpendiculaire en I (point d’incidence) à la surface de séparation.

Le dioptre est la surface de séparation entre les deux milieux.

Le plan d’incidence est le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface de séparation.

L’angle d’incidence, noté i, est l’angle entre la normale au point incident I et le rayon incident.

L’angle de réfraction, noté r, est l’angle entre cette normale et le rayon réfracté.

            2 / Première loi de Descartes

La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux quand il traverse la surface séparant deux milieux transparents différents.

Le rayon réfléchi et le rayon réfracté se trouvent dans le plan ……………….…………. défini par le rayon incident et ……………………….. à la surface au point ……………….…………. .

B / Loi de la réfraction de Descartes

1 / Étude du montage

On étudie la réfraction que subit un rayon lumineux en traversant une surface de séparation air-plexiglas. On dispose d’une lanterne, d’un cache muni d’une fente, d’un hémicylindre en plexiglas et d’un disque gradué.

On dépose le demi-cylindre en plexiglas sur le disque métallique. Le demi-cylindre en plexiglas peut tourner autour de son axe.

Diriger le rayon incident issu de la source S vers le milieu I de la face plane du demi-cylindre.

2 / Étude de l’incidence normale

Expérience :

Positionner le demi cylindre afin d’obtenir un rayon incident pour lequel l’angle d’incidence est nul (confondu avec la normale).

Conclusion :

En incidence normale, le rayon réfracté ………………………………………………………. .

3 / Étude quantitative

Faire varier l’angle d’incidence i en tournant le disque. Mesurer l’angle de réfraction r pour différentes valeurs de i de manière à remplir le tableau ci-dessous.

En 1637, Descartes propose une loi reliant l’angle d’incidence i et l’angle de réfraction r. Cette loi s’écrit :

            n₁ . sin i = n₂ . sin r        avec     n₁ : indice de réfraction du premier milieu (ici, l’air)

                                                           i : angle d’incidence

                                                           n₂ : indice de réfraction du second milieu (ici, le plexiglas)

                                                           r : angle de réfraction

Nous allons tester la validité de cette loi à l’aide du tableau de mesure obtenu, sachant que l’indice de réfraction du premier milieu (donc l’air) est égal à 1 (donc n₁ = 1).

Conclusion :

Le rapport sin i / sin r est bien constant et représente l’indice de réfraction n₂ du plexiglas.

Donc :              n₂ = …………………….

La relation de Descartes est donc bien vérifiée.

Remarque :

Cette méthode permet aussi de déterminer l’indice de réfraction n₂ du second milieu à la condition que le milieu incident soit connu (ici, l’air, dont l’indice de réfraction est égal à 1,00).

C / Détermination de l’indice de réfraction de l’eau

Expérience :

On reprend l’expérience précédente pour laquelle on remplace le demi cylindre en plexiglas par une cuve, de même forme, rempli d’eau.

Mesure :

Faire varier l’angle d’incidence i en tournant le disque. Mesurer l’angle de réfraction r pour différentes valeurs de i de manière à remplir le tableau ci-dessous.

Tableau de mesure :

Conclusion :

L’indice de réfraction de l’eau est égal à :           n (eau ) = ………………………..