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Chapitre 9 – Vision et image TP20 La réfraction de la lumière Objectifs de la s

Chapitre 9 – Vision et image TP20 La réfraction de la lumière Objectifs de la séance : - Étudier la loi de la réfraction de la lumière - Déterminer l’indice de réfraction d’un milieu Lors d’une visite au zoo de la Palmyre il y a quelques années, votre professeur a observé un phénomène qu’elle a voulu partager avec vous. Elle a donc pris la photo ci-contre à travers la paroi du bassin aquatique dans lequel se trouvait l’ours. Comment expliquer le phénomène observé ? 1) Vocabulaire On appelle réfraction de la lumière, le changement de direction qu’elle subit lorsqu’elle traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents. 1 Compléter le schéma ci-dessus à l’aide des légendes suivantes : - Dioptre (surface de séparation entre deux milieux) - Normale (droite perpendiculaire au dioptre) - Point d’incidence I (point d’intersection entre le dioptre et la normale) - Rayon incident (rayon arrivant sur le dioptre) - Rayon réfléchi (rayon repartant dans le premier milieu) - Rayon réfracté (rayon transmis dans le second milieu ayant subi une déviation) - Angle d’incidence i1 (angle formé par la normale et le rayon incident) - Angle réfracté i2 (angle formé par la normale et le rayon réfracté) - Angle réfléchi r (angle formé par la normale et le rayon réfléchi) Milieu 1 d’indice n1 Milieu 2 d’indice n2 Chapitre 9 – Vision et image 2) La réfraction de la lumière Dispositif expérimental : Protocole expérimental :  Placer le demi-disque de plexiglas sur la plate-forme tournante en respectant les consignes suivantes : - la tranche du demi-disque coïncide avec l’axe 90-90. - Le centre du disque coïncide avec le centre de la plaque tournante.  Éclairer la section droite du demi-disque en faisant tourner la plate-forme. Q1. Sur le schéma du dispositif expérimental (voir fiche « aide pour le compte-rendu »), représenter : - le point d’incidence I - la normale (N) - l'angle d'incidence i1 - le rayon réfléchi et l'angle de réflexion r - le rayon réfracté et l’angle réfracté i2 Q2. Pour différentes valeurs de l’angle d’incidence i1 données ci-dessous, relever la valeur de l’angle réfracté i2: i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 i2 (°) 3) Exploitation des mesures René DESCARTES était un philosophe et savant français (1596-1650). On lui attribue la loi de la réfraction (1637) qui fait intervenir le sinus de l’angle d’incidence (sin i1) et le sinus de l’angle de réfraction (sin i2). Cette loi affirme que le rapport sin i1 / sin i2 est constant lorsque la lumière passe d'un milieu transparent à un autre. DESCARTES proposa une loi pour le phénomène de la réfraction, appelée plus tard 3ème loi de Snell-Descartes : La relation pour tous les angles d'incidence i1 et de réfraction i2 est : n1 × sin i1 = n2 × sin i2 n1 : indice de réfraction du premier milieu traversé par la lumière. n2 : indice de réfraction du deuxième milieu traversé par la lumière Q3. À l’aide du tableur-grapheur LatisPro®, représenter le graphe sin i1 (ordonnée) en fonction de sin i2 (abscisse). Pour cela vous vous aiderez de la fiche « Utiliser le logiciel LatisPro® pour tracer un graphique ». Remarque : 4 variables sont à créer (i1, i2, sin(i1) et sin(i2)). Les valeurs des angles i1 et i2 seront rentrées en degré telles que mesurées. Les valeurs des variables sin(i1) et sin(i2) seront calculées grâce aux formules suivantes : =SIN(RAD(i1)) et = SIN(RAD(i2)) Q4. Commenter l’allure de la courbe. Qu’en déduisez-vous ? Q5. Modéliser la courbe et indiquer l’équation de la droite obtenue sur le graphique. Les milieux transparents sont caractérisés par leur indice de réfraction noté n. Cet indice est un nombre (sans unité) supérieur ou égal à 1 et en général inférieur à 3. Q6. À partir de l’équation de la droite obtenue et après avoir arrondi les valeurs en ne gardant que deux chiffres significatifs, en déduire la valeur de l’indice de réfraction nplexiglas du plexiglas. Donnée : L'indice de réfraction de l'air est nair = 1,000. 2 Chapitre 9 – Vision et image AIDE POUR LE COMPTE-RENDU Proposition de plan pour le compte-rendu : Problématique Elle doit être reformulée. 1) Protocole expérimental Phrases explicatives et schéma annoté du dispositif expérimental (possibilité de découper et coller ce schéma à compléter) : 2) Résultats expérimentaux Tableau des mesures (à recopier ou coller et à compléter) : i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 i2 (°) 3) Exploitation des mesures La courbe représentant sin i1 en fonction de sin i2 devra être imprimée après vérification par le professeur et jointe au compte rendu. Elle devra être commentée (réponses aux questions posées dans la fiche TP). 4) Conclusion Votre conclusion (réponse à la question du début du TP) 3 Chapitre 9 – Vision et image GRILLE D’EVALUATION DU TP 20 1) Problématique Reformulation de la problématique 0,5 pt 2) Protocole expérimental Phrase explicative 1 pt Schéma du dispositif expérimental 1 pt 3) Résultats expérimentaux Tableau de mesures / qualité des mesures 1 pt 4) Exploitation des mesures Courbe fournie 0,5 pt Equation de la modélisation de la courbe 0,5 pt Allure de la courbe et conclusions 1,5 pt Raisonnement et réponse à la question d) 1,5 pt Conclusion 1,5 pt Propreté du compte-rendu 1 pt NOTE OBTENUE 10 pts GRILLE D’EVALUATION DU TP 20 1) Problématique Reformulation de la problématique 0,5 pt 2) Protocole expérimental Phrase explicative 1 pt Schéma du dispositif expérimental 1 pt 3) Résultats expérimentaux Tableau de mesures / qualité des mesures 1 pt 4) Exploitation des mesures Courbe fournie 0,5 pt Equation de la modélisation de la courbe 0,5 pt Allure de la courbe et conclusions 1,5 pt Raisonnement et réponse à la question d) 1,5 pt Conclusion 1,5 pt Propreté du compte-rendu 1 pt NOTE OBTENUE 10 pts 4 Chapitre 9 – Vision et image CORRECTION 2) La réfraction de la lumière Q1. Sur le schéma du dispositif expérimental (voir fiche « aide pour le compte-rendu »), représenter : le point d’incidence I, la normale (N), l'angle d'incidence i1, le rayon réfléchi et l'angle de réflexion r, le rayon réfracté et l’angle réfracté i2. Q2. Pour différentes valeurs de l’angle d’incidence i1 données ci-dessous, relever la valeur de l’angle réfracté i2: i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 i2 (°) 0 6 12,5 18,5 24,5 30 34 38,5 3) Exploitation des mesures Q3. À l’aide du tableur-grapheur LatisPro®, représenter le graphe sin i1 (ordonnée) en fonction de sin i2 (abscisse). Pour cela vous vous aiderez de la fiche « Utiliser le logiciel LatisPro® pour tracer un graphique ». Q4. Commenter l’allure de la courbe. Qu’en déduisez-vous ? La courbe obtenue est une droite passant par l’origine (droite linéaire). On en déduit donc que les deux grandeurs représentées sont proportionnelles. Q5. Modéliser la courbe et indiquer l’équation de la droite obtenue sur le graphique. 5 Chapitre 9 – Vision et image Les milieux transparents sont caractérisés par leur indice de réfraction noté n. Cet indice est un nombre (sans unité) supérieur ou égal à 1 et en général inférieur à 3. Q6. À partir de l’équation de la droite obtenue et après avoir arrondi les valeurs en ne gardant que deux chiffres significatifs, en déduire la valeur de l’indice de réfraction nplexiglas du plexiglas. Donnée : L'indice de réfraction de l'air est nair = 1,000. D’après la loi de Snell-Descartes, on sait que : n1  sin i1 = n2  sin i2 Si on applique cette loi à notre situation, on en déduit : nair  sin i1 = nplexiglas  sin i2 nair = 1 donc ici on a : sin i1 = nplexiglas  sin i2 L’équation de la droite expérimentale modélisée est : sin i1 = 1,538  sin i2 En identifiant l’équation de la droite obtenue par modélisation et la loi de Snell- Descartes, on en déduit : nplexiglas = 1,5 4) Conclusion 6 Chapitre 9 – Vision et image FICHE TP TP 20 - La réfraction de la lumière NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES Lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction. Indice optique d’un milieu matériel. Tester les lois de Snell-Descartes à partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu. Type d’activité : activité expérimentale Conditions de mise en œuvre : Durée : 1,5 h Effectif réduit / élèves par groupes de 2 Pré-requis : (classe de 3ème) - Savoir que la lumière se propage de façon rectiligne dans un milieu homogène et transparent. - Savoir qu’un faisceau de lumière est invisible (il faut mettre sur son passage de fines particules diffusantes pour le visualiser). - Savoir qu’il y a proportionnalité entre deux grandeurs lorsque la courbe représentative d’une grandeur en fonction de l’autre est une droite passant par l’origine. Matériel : Matériel (par table) : - Dispositif Jeulin + générateur - Demi-disque de plexiglas sur plate-forme - Poste ordinateur Matériel (Bureau professeur) : - 1 laser sur support (incliné) - Cuve à eau remplie uploads/Finance/ tp20-refraction-de-la-lumiere.pdf