Sciences Physiques et Chimiques – Seconde GT Calculer la valeur de l'angle de réfraction d'un rayon lumineux d'incidence iair Les spectres lumineux 1
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Thème : L"Univers
Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blancheSciences Physiques et Chimiques - Seconde GT
Exercice 1 - Légender un schéma
Le schéma ci-dessus représente le phénomène de réfraction d"un faisceau lumineux. Identifier :
a. le p ointd"incidence ; b. le ra yoninciden t; c. le ra yonréfracté ; d. l"angle d"incidence ; e. l"angle de ré fraction; f. le plan d"incidence ; g. la normale au p ointd"incidence ; h. la surface séparan tles deux milieux. Exercice 2 - Lois de Snell-Descartes 1.Sur le sc hémaci-dessous, iden tifierl"angle d"incidence et l"angle de réfrac tion.2.Énoncer les lois de Snell-Descartes relativ esau phénomène de réfraction en resp ectantles n ota-
tions du schéma.Exercice 3 - Indice de réfraction
Un faisceau laser rouge passant de l"air dans l"eau réfracte. Données: indice de réfraction de l"air :nair= 1,00. indice de réfraction de l"eau :neau= 1,00. 1.Sc hématiserla situation en indiquan tles ra yonsr éfractéet inciden t,le p ointd"incidence I, en
dessinant la normale au dioptre et en repérant les angles d"incidenceiairet de réfractionieau. 1Exercices - 2GT Thème : L"Univers - Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blanche
2. Rapp elerl"expression d ela loi de Snell-Descartes relativ eaux angles en resp ectantles notations de l"énoncé. 3. Calculer la v aleurde l"angle de réfraction d"un ra yonlumineux d"incidence iair= 50 °.Exercice 4 - Du liquide dans l"air
On dirige un pinceau de lumière monochromatique rouge vers un demi-disque contenant un liquide.1.Quel est le ra yonréfracté ?
2. Quelles son tles v aleursde l"angle d"incidence i1et de l"angle de réfractioni2. 3.En utilisan tl"une des lois de Snell-Descartes p ourla réfraction, c alculerl"ind icede réfraction n
du liquide. L"indice de réfraction de l"air est égal à 1,00.Exercice 5 - Mirages
Lors d"un mirage, la lumière ne se propage pas en ligne droite, elle est déviée. Le schéma ci-dessous
est une illustration de ce phénomène.1.P ourquoila lumière ne s epropage pas en ligne droite lors d"un mirage ?
2. Que subit la lumière, notammen taux p ointsAetB?Exercice 6 - Un laser en aquarium
Un faisceau laser se propage dans l"air (nair= 1,00) puis atteint la surface d"un liquide. On notera nliql"indice de réfraction de ce liquide.1.Repro duirela photographie ci-dessus en faisan tapparaître les r ayonset la surface de séparation
entre l"air et le liquide. 2Exercices - 2GT Thème : L"Univers - Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blanche
2. Sur le même sc héma,rep érerle p ointd"incidence I, la normaleNau point d"incidence et les angles d"incidencei1et de réfractioni2. 3.Mesurer les deux angles.
4. Á partir des lois de Snell-Descartes, écrire la relation en trei1,i2,nairetnliq. 5.Exprimer nliqen fonction dei1,i2etnair.
6.Calculer l"indice de réfraction de ce liquide.
Exercice 7 - Construire et exploiter une représentation graphiqueLa détermination de l"indice de réfraction d"un liquide est une méthode permettant l"identification
de ce liquide. Un faisceau de lumière monochromatique est dirigé vers un liquide comme indiqué sur
le schéma ci-dessous.On notei1l"angle d"incidence dans l"air d"indicen1= 1,00et on notei2l"angle de réfraction dans
le liquide d"indicen2.Le tableau ci-dessous regroupe les mesures réalisées pour divers angles d"incidence ainsi que les
sinus de ces angles.i1(°)0102030405060
i2(°)071522293540
sini100,170,340,500,640,770,87 sini200,120,260,370,480,570,64Données:neau= 1,3etnglycérol= 1,5.
1. Mesurer les v aleursdes angles i1eti2pour la situation schématisée ci-dessus. 2. Rapp elerl"expression de la loi de Snell-Descartes relativ eaux angles lors d"un eréfraction en respectant les notations de l"énoncé. 3. Construire la représen tationgraphique de sini1en fonction desini2. 4. Mon trerqu eles v aleursexp érimentalesobten uesson ten accord a vecla loi de Snell-Descarte s. 5. Déterminer la v aleurde l "indicede réfraction n2du liquide étudié. 6. Le liquide étudié est-il de l"e auou du glycér ol?Exercice 8 - Armalcolite
Près de 400 kg de roches ont été rapportés au cours des différents missions sur la Lune. L"armalcolite
est un des minéraux transparents qui ont été découverts dans la Mer de la Tranquillité. Son nom rend
hommage à l"équipage d"Apollo 11 (Armstrong, Aldrin et Collins) qui en a fait la découverte.
Un mince faisceau de lumière monochromatique arrive depuis l"air sur une surface plane du minéral
étudié avec un angle d"incidencei1= 40°. L"angle de réfraction vaut alorsi2= 15,7°. 1.F aireun sc hémade la situation.
2. Calculer l"indice de réfraction nAde l"armalcolite. 3Exercices - 2GT Thème : L"Univers - Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blanche
Exercice 9 - Des étoiles au travers d"une vitreUn amateur d"astronomie observe une étoile à travers la vitre de la fenêtre de sa chambre. Un
rayon lumineux issu de cet astre arrive sur la vitre d"indice de réfractionn= 1,50et d"épaisseureen
un pointAavec un angle d"incidencei= 50°.1.Calculer la v aleurrde l"angle de réfraction du rayon réfracté enA.
2. Que devien tle ra yonlumineux lorsqu"il attein tle p ointB? 3. Déterminer la v aleurr?de l"angle de réfraction du rayon réfracté enB. 4.Compléter le s chéma.
5. Comparer la direc tiondu ra yoninciden tet celle du ra yonémergean tde la vitre. Commen ter. Exercice 10 - Prisme et réfraction de la lumière Soit un prisme en plexiglass (indice de réfractionnp= 1,45) ayant la forme d"un triangle ABC rectangle en B et dont l"angle ?Aa la valeur 45°. Un rayon incident de lumière arrive sur la face [AB]pratiquement en son milieu. Ce rayon arrive du côté du point B avec un angle d"incidencei= 40°.
1.F aireun sc hémade la situation.
2. Le ra yonressort du prisme par la face [A C].Calculer l"angle de réfraction r?du rayon lumineux au sortir de cette face. 3.Compléter le s chéma.
Exercice 11 - Newton et arc-en-ciel
Newton a utilisé un prisme pour comprendre la dispersion de la lumière blanche observée dans les
arcs-en-ciel. Un rayon de lumière blanche arrive perpendiculairement sur un face d"un prisme en verre, d"angleau sommetA= 35°comme indiqué sur le schéma.Les indices de réfraction du prisme sont :nrouge= 1,62etnbleu= 1,65.
1. P ourquoile ra yonn"est-il pas d éviéau passage air -verreau p ointI1? 2. Mon trerqu el"angle d"incidence en I2, lors du passage verre-air, vaut 35°. 3.Déterminer les v aleursi2,bleueti2,rougede l"angle de réfraction pour les lumières bleue et rouge.
4.De la lumière rouge ou de la lumière rouge, laquelle est la plus déviée ?Le sc hémaest-il en acc ord
avec la réponse. 4Exercices - 2GT Thème : L"Univers - Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blanche
Exercice 12 - Propriété du prisme
On dirige un faisceau de lumière blanche vers un prisme. 1.Sc hématiserce que l"on observ esur un écran placé après le prisme, sur le tra jetde la lumiè re.
2. Quelle propriété d uprisme est ainsi mise en évidence ? 3. De quelle gr andeurdép endl"indice de réfraction d"un prisme ?Exercice 13 - Arc-en-ciel
1. Quelle source de lumière naturelle p ermet,dans certaines conditions, d"obtenir un arc-en-ciel ? 2. Quel phénomène ph ysiquesub itcette lumière au niv eaudes gouttes d"eau ? 3. Quel propriété de l"eau est mis een évidence par la formation d"un arc-en-ciel ? Exercice 14 - Indice de réfraction de l"atmosphèreLe soir, lorsque le Soleil est vu à l"horizon, il est en réalité déjà couché. Ce phénomène est dû à la
réfraction de la lumière sur les couches atmosphériques. Le schéma ci-dessous modélise ce phénomène
en considérant que l"atmosphère est une couche homogène de gaz d"épaisseurhsituée autour de la
Terre de rayonR. Le pointCcorrespond au centre de la Terre; l"observateur en placé en O. Le pointIest vu sur l"horizon par l"observateur, il correspond au point d"incidence de la lumière du Soleil
lorsqu"elle rencontre l"atmosphère.La déviation par l"atmosphère des rayons lumineux à l"horizon a pour valeurd= 0,617°.Données: rayon de la Terre :R= 6,371×103km;
épaisseur de l"atmosphère :h= 50km.
1. Le triangle OICest rectangle enO. Exprimer le sinus de l"angleren fonction deReth. 2.Calculer la v aleurde l"angle r.
3. Repro duirele sc hémaci-dessus et placer l"angle d"incidence iau pointI. 4.Mon trerqu ei=r+d.
5.Calculer la v aleurde i.
6.En appliquan tles lois de Snell-Descartes, calculer la v aleurnde l"indice de réfraction de l"atmo-
sphère en supposant qu"il est constant et que l"indice du vide vaut exactement 1. 7. Expliquer, sans calcul, p ourquoil esmarins p ourse guider ne visen tpas les étoiles pro chesde l"horizon, mais uniquement des étoiles assez hautes au-dessus de l"horizon. 5Exercices - 2GT Thème : L"Univers - Réfraction de la lumière. Dispersion de la lumière blanche
Exercice 15 - Réfractomètre de Pulfrich
Un réfractomètre de Pulfrich sert à mesurer l"indice de réfraction d"un liquide afin de contrôler
sa pureté ou sa composition chimique. Le principe est le suivant : sur un bloc de verre de section
rectangulaire, d"indiceNconnu, on dépose une goutte de liquide dont on veut déterminer l"indicen.
Un faisceau lumineux monochromatique jaune pénètre dans le bloc de verre sur la faceABavec unangle d"incidencei1; il se réfracte, puis se propage dans le verre et rencontre la surface de séparation
entre le verre et le liquide. Ce faisceau peut alors se réfracter dans la goutte de liquide.Lors d"une mesure, on fait varieri1jusqu"à avoiri4= 90,0°; on peut ainsi déterminer l"indicen
en mesuranti1avec une grande précision. L"indice de réfraction de l"air est pris égal à 1,00.
1. Écrire les r elationsqui existen ten treles an gles: a.i1eti2; b.i2eti3; c.i3eti4. 2. On a dép oséune goutte de glycérine sur le blo cde v erred"indice N= 1,652. On mesure i