Site d'entrainement La déviation de la lumière
Il vous est recommandé d'utiliser ce site de l'Université du Colorado qui fournit des simulations interractives pour les sciences et pour les maths.
I) La propagation de la lumière :
Contrairement aux ondes sonores, la lumière n’a pas besoin d’un milieu matériel pour se propager : elle se propage
dans le vide à une vitesse voisine de 300 000 km/s. (3.108 m/s)
Dans les milieux homogènes et transparents, la lumière se propage en ligne droite.
La vitesse de propagation de la lumière dépend de la nature du milieu traversé. Dans l’eau, la vitesse de propagation
de la lumière est 2,25.108 m/s.
Lorsqu'on observe un bâton dans une bassine d'eau on constate que ce bâton semble "cassé" au niveau de l'entrée dans
l'eau.
La lumière se propage en ligne droite dans les deux milieux (ici l'air et l'eau); au passage du dioptre (surface, que
l'on admettra "parfaite", qui sépare deux milieux transparents et homogènes), elle change de direction. Ce phénomène
s'appelle la réfraction.
On peut calculer le rapport entre la vitesse de la lumière c (c est la célérité de la lumière dans le vide) et la
vitesse de la lumière v (v est la célérité de la lumière dans le milieu étudié).
c ━━━
= n
v
La valeur n obtenue s’appelle l’indice de réfraction.
Exercice N°1 : Calculer l’indice de réfraction de la lumière dans l’eau. (On donnera le résultat arrondi au centième.) Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Exercice N°2 : Calculer la vitesse de propagation de la lumière dans le verre sachant que son indice de réfraction est 1,5.
On respectera majuscules et minuscules. Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
II) Réflexion et réfraction :
Lorsqu’un pinceau lumineux (ensemble de rayons) rencontre une surface de séparation entre deux milieux de propagation
transparents, deux pinceaux se forment :
- Un pinceau réfléchi qui se propage dans le même milieu que le pinceau incident (phénomène de réflexion).
- Un pinceau réfracté qui se propage dans le second milieu (phénomène de réfraction).
Exercice N°3 : A partir du document précédent, compléter les phrases suivantes :
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
III) Les lois de la réflexion et de la réfraction :
1) Les lois de la réflexion :
a) Première loi de la réflexion :
D’après le document « Réflexion d’un rayon lumineux » de la page précédente, compléter les phrases : Première loi de la réflexion : le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale à la surface réfléchissante sont
dans un même plan. Ce plan est appelé plan d’incidence.
Il en sera de même pour le rayon réfracté.
Quand un rayon lumineux se propage d’un milieu 1 dans un milieu 2 d’indice plus petit, le rayon lumineux ne subit
plus de réfraction dès que l’angle d’incidence dépasse une valeur limite iL telle que
sin iL =
n2 ━━━
n1
. Dans ce cas, le rayon incident est totalement réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale.
L’angle incident i est inférieur à l’angle
d’incidence limite iL, on obtient un rayon réfracté.
L’angle incident i est supérieur à l’angle
d’incidence limite iL, on obtient un rayon réfléchi.
La fibre optique est un guide d’ondes qui exploite les propriétés de réfraction de la lumière. Elle est habituellement
constituée d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé
(différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie
de multiples fois à l'interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne).
L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.
Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l'une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de
multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu'à l'autre extrémité de la fibre optique sans
perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de
pertes même lorsque la fibre est courbée.
Dans la fibre optique, des signaux électriques sont convertis en signaux optiques. On peut convertir des signaux
électriques en signaux optiques au moyen d'un transceiver Ethernet.
Le transceiver optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur
de la fibre. A l'intérieur des deux transceivers partenaires, les signaux électriques seront traduits en impulsions
optiques par une LED et lus par un phototransistor ou une photodiode.
Ils existent plusieurs types de fibres optiques
- Les fibres à saut d’indice sont constituées d’un cœur entouré d’une gaine ; l’indice de réfraction du cœur de
la fibre est plus élevé que celui de la gaine.
Propagation d'un rayon lumineux dans une fibre à saut d'indice.
- Les fibres à gradient d’indice sont constituées d’un cœur dont l’indice de réfraction diminue si l’on s’éloigne
de son axe. Le rayon lumineux suit une trajectoire courbe.
Propagation d'un rayon lumineux dans une fibre à gradient d'indice.
Un rayon lumineux passe de l’air dans l’eau, il arrive avec un rayon incident de 60°.
Calculer la valeur de l’angle de réfraction arrondi à l’unité (utiliser : n1.sin i1 = n2.sin i2).
On donne nair = 1 et neau = 1,33.
Pour faire l'exercice, compléter les cases suivantes:
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Exercice N°2 :
Un rayon lumineux passe de l’eau dans l’air, il arrive avec un rayon incident de 43°.
Calculer l’angle limite de réfraction arrondi à l’unité. (Utiliser sin iL =
n2 ━━━
n1
.)
On donne nair = 1 et neau = 1,33.
Pour faire l'exercice, compléter les cases suivantes:
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
