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À la découverte de la réfraction

✔ ANA : Élaborer un protocole

✔ REA : Respecter les règles de sécurité

Quelles sont les informations nécessaires pour trouver la valeur de l’angle de réfraction d’un rayon lumineux passant d’un milieu transparent 1 à un autre milieu transparent 2 ?

Deux grandeurs sont proportionnelles si le graphique représentant une des grandeurs en fonction de l’autre est une droite passant par l’origine du repère. Ces deux grandeurs ($a$ et $b$ par exemple) sont alors reliées par l’égalité $a= \text{k} \cdot b$, avec $\text{k}$ qui est une constante (coefficient directeur de la droite linéaire).

Découvrez un exemple de mesures d'angles de réfraction en vidéo.

Par intuition

La lumière est-elle déviée de la même façon lorsqu’elle traverse du verre ou de l’eau ?

Doc. 2

Une évolution du modèle de réfraction

Depuis près de 2000 ans, des savants se sont penchés sur le phénomène de réfraction :

• Ptolémée (vers 90-168) s’intéresse au passage de la lumière de l’air à l’eau et en conclut que l’angle de réfraction $i_2$ augmente avec l’angle d’incidence $i_1$ ;
• Kepler (1571-1630) affine le modèle en proposant que l’angle d’incidence $i_1$ et l’angle de réfraction $i_2$ sont proportionnels ;
• Snell (1580-1626) et Descartes (1596-1650) continuent de perfectionner le modèle en énonçant que $\sin(i_2)$ est proportionnel à $\sin(i_1)$ ;
  
• De nos jours le modèle de la réfraction repose sur la loi suivante appelée loi de Snell-Descartes :
$n_{1} \cdot \sin (i_{1})=n_{2} \cdot \sin (i_{2})$.

$n_1$ et $n_2$ sont les indices de réfraction des milieux 1 et 2.
Cela signifie que :

• dans l’air, l’indice de réfraction est $n_{\text {air}}=$ 1,00 et la lumière va à sa vitesse maximale (3,00 $\times$ 10⁸ m/s) ;
• si l’indice d’un autre milieu est $n =$ 2,00 alors la lumière se propagera deux fois moins vite dans ce milieu que dans l’air.

Doc. 3

Schéma de l’expérience

1. Doc. 2 et 3 Quelles mesures faut-il effectuer pour vérifier la loi de Snell-Descartes ?


2. Quelle précaution particulière est à prendre en compte avec l’usage de la source LASER ?


3. Proposer et mettre en œuvre un protocole permettant de vérifier graphiquement la proportionnalité entre $\sin (i_{1})$ et $\sin (i_{2})$.

Lancer le module Geogebra

4. À l’aide de la valeur du coefficient directeur de la droite obtenue, déterminer la valeur de l’indice de réfraction du plexiglas.