5.TP3 : Réfraction totale
Compétences mises en jeu
• Connaitre le principe de propagation rectiligne de la lumière.
• Exploiter les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction.
• Tester les lois de Snell-Descartes à partir d’une série de mesures et déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.
Matériel :
Au bureau
- ☐ Mallette (grise) d'optique pour tableau
Sur les paillasses des élèves
- => Dispositif pour la réfraction :
- ☐ 1 demi-cylindre de plexiglas
- ☐ 1 source de lumière
- ☐ 1 feuille imprimée avec les graduations des angles
I - Dispositif expérimental
🖉 A partir du schéma du dispositif ci-dessus, indiquer quel est le milieu 1 et quel est le milieu 2.
🖉 Légender le schéma en indiquant : l'interface ; la normale à l'interface ; le rayon incident ; le rayon réfracté ; l'angle incident ; l'angle réfracté.
🖉 Expliquer pourquoi le rayon n'est pas dévié lorsqu'il passe du plexiglas à l'air.
II - Mesure de l'indice d'un milieu matériel
1) Loi de Snell-Descartes
🖉 Rappeler la loi de Snell-Descartes pour la réfraction (on notera \(i\) l'angle incident et \(r\) l'angle réfracté).
2) Méthode peu précise
La première méthode consiste à faire une seule mesure de \(i\) et de \(r\) et d'en déduire la valeur de n.
🖑 Mettre en place le dispositif.
🖑 Mesurer \(i\) et \(r\).
🖉 Compléter le tableau ci-dessous.
| Milieu d'incident | Milieu de réfraction | |
|---|---|---|
| Nature du milieu | ||
| Indice du milieu | ||
| Angle entre le rayon et la normale |
🖉 En utilisant la loi de Snell-Descartes, déterminer la valeur de \(n\).
3) Méthode précise
Pour la méthode précise, on opère de la façon suivante :
- - on mesure \(i\) et \(r\) pour plusieurs valeurs de \(i\) ;
- - on trace la courbe donnant \(sin(i)\) en fonction de \(sin(r)\) ;
- - on modélise les points obtenus par une droite.
Le coefficient directeur de la droite obtenue donne l'indice du milieu de réfraction (ici le plexiglas).
🖉 Justifier la méthode proposée.
🖑 Mettre en œuvre la méthode proposée en complétant le tableau ci-dessous.
| Angle d'incidence i (en °) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Angle de réfraction r (en °) | |||||||||
🖉 En déduire l'indice optique du plexiglas.
III - Mise en évidence de la réflexion totale
🖑 Modifier le dispositif pour que le plexiglas soit le milieu d'incidence et que l'air soit le milieu de réfraction.
🖑 Régler le dispositif pour que l'angle incident soit égal à \(\pu{0 °}\).
Augmenter progressivement la valeur de l'angle incident.
Mesurer l'angle incident lorsque l'angle réfracté vaut \(\pu{90 °}\).
🖑 Que se passe-t-il lorsqu'on augmente encore l'angle d'incidence ?
🖉 Retrouver, par le calcul, la valeur de l'angle incident lorsque l'angle réfracté est égal à \(\pu{90 °}\).