Fiche enseignant · 15–16 ans · environ 45–50 minutes
La lumière : rayons, réflexion, dispersion et spectre électromagnétique
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Objectifs
- Utiliser c = f·λ pour les ondes électromagnétiques et connaître le domaine visible.
- Énoncer et vérifier la loi de la réflexion ; distinguer réflexion spéculaire et réflexion diffuse.
- Expliquer la dispersion par la dépendance de l'indice de réfraction à la longueur d'onde.
- Expliquer la couleur et la diffusion atmosphérique.
Déroulement
| Durée | Activité |
|---|---|
| 5 min | Accroche : pourquoi peut-on voir cette page de partout, mais son reflet seulement d'un endroit ? |
| 10 min | Lisez le texte ; traitez un exemple avec c = f·λ. |
| 25 min | TP loi de la réflexion par deux, cinq angles. |
| 5 min | Tracez r en fonction de i et discutez des erreurs. |
| 5 min | Quiz, ou Visible ou pas ? à la maison. |
Matériel pour l'expérience
- Un miroir plan avec un support (ou un bloc pour le tenir droit)
- Une boîte à rayons à une fente, ou une lampe de poche couverte de carton noir scotché en laissant une fente étroite
- Une feuille A4, une règle, un crayon bien taillé et un rapporteur
- Une pièce peu éclairée
Sécurité: Les boîtes à rayons chauffent : ne touche pas l'ampoule. Si l'on utilise un pointeur laser, seulement un laser scolaire de faible puissance sous la surveillance de l'enseignant, et ne le dirige jamais vers des yeux ni vers des surfaces brillantes tournées vers des personnes.
Idées fausses fréquentes
| Les élèves peuvent penser… | En réalité… |
|---|---|
| Les angles se mesurent à partir de la surface du miroir. | Les angles d'incidence et de réflexion se mesurent à partir de la normale. |
| Un prisme « ajoute » des couleurs à la lumière. | Il sépare des couleurs déjà présentes dans la lumière blanche. |
| Un objet rouge réfléchit la lumière rouge sous n'importe quel éclairage. | S'il n'y a pas de rouge dans la lumière qui l'éclaire, un objet rouge paraît sombre. |
Corrigé de la fiche
- L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence, tous deux mesurés par rapport à la normale ; le schéma montre les deux rayons se rejoignant sur le miroir avec des angles égaux par rapport à la normale.
- f = c/λ = 3,00×10⁸ / 7,00×10⁻⁷ ≈ 4,3×10¹⁴ Hz.
- L'indice de réfraction du verre est plus grand pour les courtes longueurs d'onde, donc le violet est plus dévié que le rouge à chaque face et les couleurs se séparent.
- Résultats à quelques degrés près de r = i. Erreurs : largeur du rayon (utiliser une fente étroite), épaisseur du miroir (tracer sur le dos argenté), lecture du rapporteur (mesurer avec soin, répéter).
Corrigé du quiz
- La lumière verte a une longueur d'onde de 500 nm. Sa fréquence vaut… 6,0 × 10¹⁴ Hz. f = c/λ = 3,00×10⁸ / 5,00×10⁻⁷ = 6,0×10¹⁴ Hz.[6]
- Quelle affirmation explique la dispersion dans un prisme ? L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde. Chaque longueur d'onde est réfractée différemment.[5]
- Un rayon arrive sur un miroir à 25° de la surface (pas de la normale). L'angle de réflexion mesuré par rapport à la normale vaut… 65°. Par rapport à la normale, i = 90° − 25° = 65°, et r = i.[4]
- Éclairée seulement en lumière rouge, une feuille d'un vert pur paraît… sombre (presque noire). Elle réfléchit le vert ; or il n'y a pas de lumière verte à réfléchir.[2]
- Pourquoi le Soleil couchant paraît-il rouge ? Les courtes longueurs d'onde sont diffusées hors du long trajet dans l'air. Le bleu est diffusé ; les grandes longueurs d'onde restent.[1]
- La lumière met environ 500 s pour venir du Soleil. La distance vaut environ… 1,5 × 10¹¹ m. d = c·t = 3,00×10⁸ × 500 = 1,5×10¹¹ m.[7][6]
Pour aller plus loin
Placez le miroir à 90° d'un second miroir (un coin réflecteur). Montrez avec un schéma de rayons que la lumière est renvoyée parallèlement à sa direction d'arrivée. Où utilise-t-on cela ?
Sources utilisées dans cette leçon
- [1] Why Is the Sky Blue? (NASA Space Place): fiabilité Élevée
- [2] Wave Behaviors (NASA Science (Tour of the Electromagnetic Spectrum)): fiabilité Élevée
- [3] College Physics 2e, 25.1 The Ray Aspect of Light (OpenStax, Rice University): fiabilité Élevée
- [4] College Physics 2e AP, 25.2 The Law of Reflection (OpenStax, Rice University): fiabilité Élevée
- [5] College Physics 2e, 25.5 Dispersion: The Rainbow and Prisms (OpenStax, Rice University): fiabilité Élevée
- [6] College Physics 2e, 24.3 The Electromagnetic Spectrum (OpenStax, Rice University): fiabilité Élevée
- [7] Origin of Light (NASA Scientific Visualization Studio): fiabilité Élevée
Liste complète avec liens et une note sur la fiabilité de chaque source: echoesof.science/school/fr/light/sources/
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