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Exercice 4: Réfraction dans un prisme
(7 points)
Il existe un angle incident limite lorsque le milieu où se produit la réfraction est moins réfringent que le milieu incident
On éclaire un prisme d'angle BAC = 30,0° par un faisceau de lumière monochromatique rouge de longueur d'onde à
=750 nm perpendiculairement à la surface de séparation air-verre. On représente ce faisceau par le rayon SI.
A
S
Données :
Air
I
Air
B
Fig. 1: Schéma du prisme.
1. Déterminer la valeur de l'angle d'incidence is. 0°
2
A l'aide de la loi de Descartes-Snell, en déduire la valeur de l'angle de réfraction is.
3. Construire géométriquement sur la fig. 1, la prolongation du rayon lumineux à l'intérieur du prisme.
En déduire, par une mesure, l'angle d'incidence is du rayon arrivant sur la face AC du prisme.
4.
5.
6.
A l'aide de la loi de Descartes-Snell, déterminer l'angle i'2 avec lequel le rayon sort du prisme.
Compléter sur la fig, 1, le trajet du rayon lumineux lorsqu'il passe du verre à l'air.
7. Calculer la vitesse du faisceau monochromatique rouge dans le verre.
C
Indice de réfraction de l'air : n = 1,000
Indice de réfraction du verre pour la radiation rouge: 1,510
Célérité de la lumière : c= 3,00. 10 m.s¹


Répondre :

1. Pour déterminer l'angle d'incidence \(i_s\), sachant que le prisme est éclairé perpendiculairement à la surface de séparation air-verre (\(i_s = 0^\circ\)) et que l'angle du prisme est \(BAC = 30,0^\circ\), on a \(i_s = BAC / 2\).

\[i_s = \frac{30,0^\circ}{2} = 15,0^\circ\]

2. En utilisant la loi de Descartes-Snell \(n_1 \sin(i_1) = n_2 \sin(i_2)\), où \(n_1\) est l'indice de réfraction de l'air, \(n_2\) est l'indice de réfraction du verre, et \(i_1\) et \(i_2\) sont les angles d'incidence et de réfraction respectivement, on peut calculer l'angle de réfraction \(i_2\) :

\[1 \times \sin(15,0^\circ) = 1,510 \times \sin(i_2)\]

\[i_2 \approx \arcsin\left(\frac{\sin(15,0^\circ)}{1,510}\right)\]

3. Sur la figure 1, construisez la prolongation du rayon lumineux à l'intérieur du prisme. Mesurez l'angle d'incidence \(i_s\) du rayon arrivant sur la face AC du prisme.

4. À l'aide de la loi de Descartes-Snell, déterminez l'angle \(i'_2\) avec lequel le rayon sort du prisme :

\[1,510 \times \sin(i'_2) = 1 \times \sin(15,0^\circ)\]

\[i'_2 \approx \arcsin\left(\frac{\sin(15,0^\circ)}{1,510}\right)\]

5. Complétez sur la figure 1 le trajet du rayon lumineux lorsqu'il passe du verre à l'air.

6. Calculez la vitesse du faisceau monochromatique rouge dans le verre à l'aide de la relation \(v = c / n\), où \(v\) est la vitesse de la lumière dans le verre, \(c\) est la célérité de la lumière, et \(n\) est l'indice de réfraction du verre pour la radiation rouge.