[PDF] DISPERSION DE LA LUMIERE Explication de la dispersion : - à chaque

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1DISPERSION DE LA LUMIERE

1. Appareils dispersifs :

Ce sont des systèmes optiques qui provoquent la décomposition de la lumière ;

1.1. PRISME :

1.1.1. Définition : c'est un milieu transparent séparé par deux faces non parallèles.

Un rayon lumineux qui le traverse subit une double réfraction .

Le prisme est caractérisé par :

son indice de réfraction : n = c

V son angle au sommet 0A .

1.1.2 FORMULES du PRISME :

sin i = n sin r sin i' = n sin r' 0

A = r + r'

Déviation : D = i + i' - ( r + r' )

Remarque : Pour certaines valeurs de l'angle d'incidence, on risque d'avoir un phénomène de réflexion totale sur la face de sortie (passage verre - air).

1.1.3. Explication de la dispersion :

- à chaque radiation monochromatique visible correspond une couleur caractérisée par la longueur d'onde : l = c f - l'indice de réfractio du verre dépend de la longueur d'onde : en première approximation on peut écrire : n = A + B l2 . Lorsqu'on dit que l'indice du verre n = 1,5, c'est une valeur moyenne. - Quelques valeurs pour des verres au plomb : crown ou flint

Indice n pour différentes radiations

VERRE Rouge l = 656 nm Jaune l = 589 nm Bleue l = 486 nm Crown moyen 1,511 1,514 1,520 Flint moyen 1,555 1,558 1,568 Flint lourd 1,655 1,660 1,673

- Couleur la plus déviée : l petit Þ n grand Þ déviation forte : VIOLET Couleur la moins déviée : l grand Þ n petit Þ déviation faible : ROUGE

21.2 RESEAU :

1.2.1. Définition : c'est une surface optique très mince

constituée d'un très grand nombre de fentes fines identiques et équidistantes.

Deux types de réseau :

· réseau par transmission : Þ fentes

· réseau par réflexion : Þ sillons

Grandeur qui caractéristise le réseau c'est le pas du réseau : a = nombre de traits par mm Exemple : a = 300 traits/mm a = 80 traits/mm

1.2.2. Diffraction par une fente : expérience réalisée avec un laser

Lorsque la lumière arrive sur une ouverture très petite (ordre de grandeur se rapprochant de la longueur d'onde l ), elle subit le phénomène de DIFFRACTION : Þ l'ouverture joue le rôle de source secondaire ( le faisceau est divergent ).

1.2.3. Explication de la dispersion : on démontre qu'il y a un maximum de lumière dans une

direction telle que : sin q = k . a . l l grand (lROUGE) Þ qROUGE grand

Le ROUGE est le plus dévié

l ptit (lVIOLET) Þ qVIOLET petit

Le VIOLET est le moins dévié

2. Décomposition de la lumière blanche :

2.1. Montage expérimental avec le prisme :

Exp 1 : prisme normal :

Exp 2 : prisme à vision directe : ce sont en réalité plusieurs prismes accolés. Avantage : le spectre de décomposition se trouve dans l'axe du faisceau incident.

2.1.1. Constatations :

· la lumière blanche est décomposée en différentes couleurs : c'est le rouge qui et le

moins dévié, le violet le plus dévié. · Le spectre est CONTINU : il est formé d'une infinité de couleurs.

2.1.2. Interprétation :

· La lumière blanche de la source contient une infinité de radiations monochromatiques : · Le passage par le prisme provoque une infinité de déviations D voisines ce qui donne un spectre continu · DOMAINE VISIBLE : l compris entre 400 nm (VIOLET) et 750 nm (ROUGE)

La lentille, avant le prisme,

envoie un faisceau parallèle sur le prisme Après le prisme, le faisceau est divergent et coloré

32.2. Montage expérimental avec le réseau :

Exp 1 : réseau à 300 traits/mm

Exp 2 : réseau à 80 traits/mm

Mêmes constatations et mêmes conclusions

2.3. Exemples pratiques de dispersion de la lumière :

· phénomène de l'arc-en-ciel : les rayons du soleil subissent une réfraction à l'entrée, une réflexion sur le fond de la goutte, puis une réfraction à la sortie. Les conditions pour voir un arc-en-ciel sont : soleil bas (matin ou soir), soleil derrière l'observateur, les gouttes de pluie étant devant l'observateur. Tout se passe dans un cône d'ouverture 42° (déviation pour le rouge) · Aberrations chromatiques des lentilles : les rayons lumineux passant trop loin de l'axe optique de la lentille subissent le phénomène de dispersion.

3. Recomposition de la lumière blanche :

3.1. Montage expérimental : entre l'écran et le

prisme, on intercale une lentille convergente :

3.2. Constatations :

· sur l'écran on observe une tache lumineuse blanche : la lumière a été recomposée · Le spectre continu pourrait se résumer en 3 couleurs fondamentales : Rouge, Vert et

Bleu . Ce sont les 3 couleurs de base pour la

SYNTHESE ADDITIVE des couleurs.

Exemple : principe de la TV couleur

3.3 Couleurs COMPLEMENTAIRES :

Après le prisme et avant la lentille de recomposition, on arrête une des couleurs de base en intercalant un obstacle : on produit alors la recomposition des 2 autres couleurs et on observe la couleur dite complémentaire. Si on arrête la couleur Rouge, on observe sur l'écran une couleur B + V = CYAN Si on arrête la couleur Verte, on observe sur l'écran une couleur R + B = MAGENTA Si on arrête la couleur Bleu, on observe sur l'écran une couleur R + V = JAUNE Magenta, Jaune et Cyan sont les 3 couleurs de bas de la SYNTHESE SOUSTRACTIVE.

3.4. Disque de NEWTON :

Disque avec plusieurs secteurs colorés (immobile : a) En le faisant tourner à grande vitesse (b), il apparaît gris clair. C'est la recomposition de toutes les couleurs sur la rétine de l'oeil (persistance rétinienne)

4. Spectres d'émission et spectres d'absorption :

4.1 Spectres d'émission :

SPECTRE CONTINU de la lumière blanche :

La lumière émise par le soleil ou une lampe à incandescence est appelée lumière blanche.

Lorsque cette lumière traverse un prisme elle est décomposée en plusieurs couleurs : rouge,

4orange, jaune, vert, bleu, violet (les couleurs de l'arc en ciel). L'image colorée obtenue sur

l'écran est appelée spectre continu de la lumière blanche. Si une lumière colorée n'est pas décomposée par un prisme est elle dite monochromatique (longueur d'onde l l bien définie) (expérience avec un laser).

SPECTRE de RAIES :

Un gaz ou une vapeur métallique enfermée dans un tube sous une faible pression et excité

par une tension électrique émet une lumière colorée. Lorsque l'on analyse cette lumière à

l'aide d'un prisme le spectre obtenu est totalement différent : ce n'est plus un spectre continu mais un spectre de raies. La lumière ne contient que quelques couleurs : on observe uniquement quelques raies colorées sur un fond noir.

Exemple 1 : Lampe à VAPEUR DE MERCURE. :

La lumière émise semble bleue.

Elle contient plusieurs raies

dans l22orange, le jaune, le vert, le bleu , le violet.

Exemple 2 : Lampe à VAPEUR de SODIUM :

La lumière jaune donne un spectre avec 2 raies jaunes très voisines l'une de l'autre.

Applications : Chaque élément chimique a un spectre de raies différents, chaque raie étant

identifiée par sa longueur d'onde · chimie : l'analyse spectrométrique permet de déterminer la composition chimique d'une substance · astrophysique : analyse spectrale des étoiles permet de déterminer leur composition

4.2 Spectres d'absorption :

Expériences :

Lumière blanche Þ Solution colorée ou filtre Þ Prisme Þ Ecran

Exemple 1 :

Solution de dichromate de potassium : pourquoi cette solution est-elle JAUNE-ORANGE ? On constate dans le spectre obtenu des bandes noires d'absorption dans le violet, le bleu et une partie du vert. La superposition des couleurs transmises rouge, jaune et un peu de vert donne la sensation d'orange.

Exemple 2 :

Une solution de permanganate de potassium est magenta. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans l'orange le jaune et le vert. La superposition des couleurs rouge et bleue transmises donne la sensation de magenta.

Exemple 3 :

On interpose, à la place des solutions précédentes, des filtres de couleurs différentes. Filtre R : absorbe V et B Filtre V : absorbe R et B Filtre B : absorbe R et V

Filtre J : absorbe B

Filtre M : absorbe V

Filtre C : absorbe R

CONCLUSION : la notion de couleur d'un objet est directement lié au phénomène d'absorption : Un objet coloré absorbe toutes les radiations sauf celles correspondant à sa couleur. La nature de l'objet coloré est défini par sa reflectance : elle correspond à l'énergie lumineuse que renvoie l'objet coloré. (voir figure)quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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