Dispersion de la lumière par un prisme en physique-chimie Seconde - Vision et image

1 Faire passer un rayon de lumière blanche à travers un prisme
2 Observer la décomposition en un spectre coloré
3 Faire passer le spectre à travers un second prisme inversé
4 Observer la recomposition de la lumière blanche

La réfraction est le phénomène de changement de direction de la lumière lorsqu'elle traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents.

La lumière change de vitesse en changeant de milieu, ce qui provoque une déviation de sa trajectoire.

La réfraction est régie par la loi de Snell-Descartes :

Où :

• n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des milieux
• i₁ est l'angle d'incidence
• i₂ est l'angle de réfraction

L'indice de réfraction n d'un milieu transparent est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide c et la vitesse de la lumière dans le milieu v :

Il est sans unité et supérieur à 1 pour les milieux transparents.

L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde de la lumière :

• Les radiations violettes sont plus réfringentes (n plus élevé)
• Les radiations rouges sont moins réfringentes (n plus faible)
• Cette variation explique la dispersion de la lumière

• 1 Arêtes : côtés du prisme
• 2 Faces : surfaces planes du prisme
• 3 Angle au sommet : angle entre les deux faces réfringentes
• 4 Base : face opposée au sommet

La lumière traverse le prisme en subissant deux réfractions :

1. Entrée dans le prisme (première réfraction)
2. Traversée du prisme
3. Sortie du prisme (seconde réfraction)

Chaque radiation subit une déviation différente à cause de la dispersion.

La dispersion est due à la dépendance de l'indice de réfraction avec la longueur d'onde :

• Chaque couleur de la lumière a une longueur d'onde spécifique
• Chaque longueur d'onde a un indice de réfraction différent
• Donc chaque couleur est réfractée d'un angle différent

Les couleurs sont classées par ordre croissant de longueur d'onde (et décroissant de fréquence) :

• 1 Violet (λ ≈ 400 nm) - le plus dévié
• 2 Indigo (λ ≈ 445 nm)
• 3 Bleu (λ ≈ 475 nm)
• 4 Vert (λ ≈ 510 nm)
• 5 Jaune (λ ≈ 570 nm)
• 6 Orange (λ ≈ 600 nm)
• 7 Rouge (λ ≈ 700 nm) - le moins dévié

• 1 Identification des éléments chimiques
• 2 Analyse de la composition stellaire
• 3 Contrôle qualité en industrie
• 4 Recherche scientifique

• 1 Spectromètres
• 2 Monochromateurs
• 3 Interféromètres
• 4 Dispositifs de mesure de longueur d'onde

Un arc-en-ciel se forme lorsque la lumière du soleil rencontre des gouttes d'eau dans l'atmosphère.

Chaque goutte d'eau agit comme un petit prisme sphérique :

1. La lumière entre dans la goutte (réfraction)
2. Elle se réfléchit à l'intérieur (réflexion interne)
3. Elle ressort de la goutte (seconde réfraction)

La dispersion sépare les différentes couleurs qui forment l'arc.

• Pluie dans une direction
• Soleil dans la direction opposée
• Observateur entre les deux
• Angle d'observation d'environ 42°

• 1 Réflexion : la lumière change de direction mais reste dans le même milieu
• 2 Réfraction : la lumière change de direction en changeant de milieu
• 3 Diffusion : la lumière est dispersée dans toutes les directions
• 4 Dispersion : la lumière est séparée en ses différentes couleurs

La dispersion est un phénomène spécifique de la réfraction :

• Elle nécessite un milieu dispersif (comme un prisme)
• Elle dépend de la longueur d'onde de la lumière
• Elle produit un spectre coloré ordonné
• Elle est réversible (on peut recombiner les couleurs)

• 1 Un prisme en verre ou en plexiglas
• 2 Une source de lumière blanche intense
• 3 Un écran blanc pour observer
• 4 Une pièce sombre
• 5 Un support pour le prisme

1. 1 Installer le prisme sur son support
2. 2 Positionner la source lumineuse pour éclairer une face du prisme
3. 3 Placer l'écran de l'autre côté du prisme
4. 4 Observer le spectre coloré projeté sur l'écran
5. 5 Tourner le prisme pour optimiser la déviation

• 1 Dispersion normale : n augmente quand λ diminue (cas habituel)
• 2 Dispersion anormale : n diminue quand λ diminue (cas rare)

La dispersion anormale se produit :

• Dans certaines substances particulières
• À proximité des fréquences d'absorption
• Pour certaines longueurs d'onde spécifiques
• Dans des conditions expérimentales particulières

Ce phénomène est plus rare que la dispersion normale.

La dispersion chromatique dans les fibres optiques peut dégrader les signaux lumineux :

• Les différentes longueurs d'onde arrivent à des moments différents
• Cela peut causer un élargissement des impulsions
• Des techniques de compensation sont utilisées pour corriger cela

Les dispositifs de compression d'impulsions exploitent la dispersion :

• Les prismes ou réseaux compensent la dispersion
• Ils permettent de compresser les impulsions lumineuses
• Applications en médecine laser et en recherche

Lorsque la lumière traverse le prisme symétriquement, l'angle de déviation est minimum.

Pour un prisme d'angle A et d'indice n, la déviation minimum Dm est donnée par :

Pour la lumière rouge avec A = 60° et n_rouge = 1,51 :

Pour la lumière violette avec n_violet = 1,53 :

L'angle de dispersion est la différence entre les déviations des deux radiations :

La lumière violette est déviée de 1,8° de plus que la lumière rouge.

• La dispersion est la séparation des différentes couleurs de la lumière blanche
• Elle est due à la dépendance de l'indice de réfraction avec la longueur d'onde
• Elle se produit dans les milieux dispersifs comme les prismes

• Loi de Snell-Descartes : n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂)
• Indice de réfraction : n = c/v
• La lumière violette est plus déviée que la lumière rouge

• Spectroscopie pour l'analyse de la matière
• Formation de l'arc-en-ciel
• Technologies optiques avancées