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Série d'exercices : Réfraction - Dispersion de la lumière - 2nd S

Classe:

Seconde

Exercice 1

Trouver les mots manquants

1) La$\ldots\ldots$est le changement de direction subi par un rayon lumineux lorsqu'il passe d'un milieu transparent dans un autre.

2) Une lumière$\ldots\ldots$ne peut pas être décomposée par un prisme.

Elle est caractérisée par sa$\ldots\ldots$dans le vide.

3) Les longueurs d'onde dans le vide des radiations visibles sont comprises entre $400\ $ et $\ 800\ldots\ldots$environ.

4) Vrai ou faux ?

4.1) L'angle entre un rayon incident et la surface de séparation est appelé angle d'incidence.

4.2) Un rayon lumineux passe de l'air à l'eau (angle d'incidence $i$, angle de réfraction $r).$

On appelle indice de réfraction de l'eau le rapport $n=\dfrac{\sin i}{\sin r}.$

La décomposition de la lumière par un prisme est un phénomène de diffusion

Exercice 2

Un faisceau lumineux voyage dans l'eau, d'indice de réfraction $n=1.33.$

Il arrive à la surface de l'eau avec un angle d'incidence $i$ et se réfracte dans l'air.

L'angle de réfraction est noté $r.$

1) Faire un schéma faisant apparaître toutes les grandeurs utiles.

2) Calculer $r$ dans le cas où $i=40^{\circ}.$

3) Faire de même dans le cas où $i=50^{\circ}.$ Que se passe-t-il dans ce cas ?

4) Montrer qu'il existe un angle $i_{max}$ appelé "angle de réflexion totale" pour lequel il n'y a pas de rayon réfracté.

Donner son expression en fonction de $n$ et calculer sa valeur dans le cas de l'eau

Exercice 3

La réfraction d'un faisceau laser rouge passant de l'air dans l'eau est schématisée ci-dessous.

Données : indice de réfraction de l'air : $n_{air}=1$ ; indice de réfraction de l'eau : $n_{eau}=1.33.$

1) Reproduire et compléter le schéma en indiquant le point d'incidence $I$, en dessinant la normale et en repérant les angles d'incidence $i_{r}$ et de réfraction $r.$

2) Rappeler la loi de Descartes relative aux angles en respectant les notations du texte.

3) Calculer la valeur de l'angle de réfraction d'un rayon lumineux d'incidence $i_{air}=50^{\circ}.$

Exercice 4

1) On dirige un pinceau de lumière monochromatique rouge vers un demi-disque contenant un liquide.

1.1) Quel est le rayon réfracté ?

1.2) Quelles sont les valeurs de l'angle d'incidence $i$ et de l'angle de réfraction $r\ ?$

1.3) En utilisant la loi de Descartes pour la réfraction, calculer l'indice de réfraction $n$ du liquide.

L'indice de réfraction de l'air est égal à $1.$

2) On dirige un faisceau de lumière blanche vers un prisme.

2.1) Dessiner ce que l'on observe sur un écran placé derrière le prisme.

2.2) Quelle propriété du prisme est ainsi mise en évidence ?

2.3) De quelle grandeur $d$

Exercice 5

1) Un rayon lumineux passe du verre dans l'air (figure ci-dessous).

Comment appelle-t-on ?

a) le rayon $AO$ ;

b) le rayon $OB$ ;

c) l'angle $i_{1}$ ;

d) l'angle $i_{2}$

2) L'indice de réfraction du verre est $n_{1}=1.5$ et celui de l'air est $n_{2}=1.$

a) Quelle est la valeur maximale que peut prendre $i_{2}\ ?$

b) Dans ce cas, calculez la valeur correspondante de $i_{1}$ Nous l'appellerons $\lambda$

c) Qu'observe-t-on si $i_{1}>\lambda\ ?$

d) Citez au moins une application du phénomène observé en c).

Exercice 6

Pour la signalisation lumineuse du tableau de bord d'une machine à commande numérique, on utilise des fibres optiques (fibre représentée ci-dessous).

1) Calculer l'angle de réfraction en $A.$

2) Tracer le trajet du rayon lumineux dans la fibre.

3) Calculer l'angle d'incidence du rayon lumineux à la surface de séparation cœur-gaine.

4) Calculer l'angle limite à la surface de séparation cœur-gaine.

Exercice 7

Un rayon lumineux composé d'une lumière monochromatique rouge et d'une lumière monochromatique bleue arrive sur un prisme en verre d'angle au sommet $A=60^{\circ}$, avec un angle d'incidence $i_{1}=30^{\circ}.$

Les indices de réfraction du verre pour le rouge et le bleu sont respectivement $n_{R}=1.48\ $ et $\ n_{B}=1.51$

1) Représenter sur le schéma ci-dessous le rayon incident au point $I.$

2) Déterminer à un degré près les angles de réfraction $i_{2R}$ pour le rouge et $i_{2B}$ pour le bleu dans le prisme.

3) Tracer approximativement ces deux rayons dans le le prisme.

4) Quel est le rayon le plus dévié dans le prisme ?

5) Calculer les angles des rayons sortant du prisme $i_{3R}$ et $i_{3B}$ sachant que les angles des rayons réfractés $i_{2R}$ et $i_{2B}$ et arrivant sur la deuxième face du prisme sont donnés par les deux relations $i_{2R}'=A - i_{2R}\ $ et $\ i_{2B}'=A - i_{2B}$

6) Tracer les deux rayons sortant du prisme sur le schéma ci-dessous.

7) Quel est celui le plus dévié ?

8) Comment appelle-t-on ce phénomène ?

On donne $n_{air}=1$

Exercice 8

Un rayon lumineux arrive sur la surface plane , séparant l'air d'un milieu transparent , sous une incidence de $60^{\circ}.$ Sachant que l'angle de réfraction vaut $45^{\circ}.$

calculer l'indice relatif de réfraction de ce milieu transparent par rapport à l'air.

1) Calculer la valeur de l'angle de réfraction limite lorsque la lumière passe de l'air dans l'eau.

2) On immerge une source lumineuse de façon que la lumière se propage d'abord dans l'eau et arrive sur la surface de séparation avec un angle d'incidence $i’=60^{\circ}.$

Obtiendra-t-on un rayon réfracté dans l'air ?

Pourquoi ?.

On donne l'indice de réfraction relatif de l'eau par rapport à l'air $n=\dfrac{4}{3}$

Exercice 9

On schématise la réfraction d'un rayon de lumière monochromatique passant de l'air dans l'eau.

1) Reproduire et compléter ce schéma en indiquant le point d'incidence $I$, en dessinant la normale $(NN’)$ à la surface de séparation des deux milieux et en indiquant l'angle d'incidence $i_{1}$ et l'angle de réfraction $i_{2}$( valeurs non demandées).

2) Donner l'expression de la seconde loi de Descartes.

3) Calculer l'angle de réfraction $i_{2}$ si l'angle d'incidence $i_{1}$ vaut $60^{\circ}.$