S'exercer avec le Devoir Surveillé (DS) de Physique de niveau Seconde

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Avec correction. Interro réfraction et recherche indice
Devoir Surveillé (DS) en Physique (2012) pour Seconde

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• Langue: Français

Exrait

Interrogation 2°  PHYSIQUEnovembre 2011 Durée : 1h ; calculatrice autorisée. NOM :…………………….

Exercice1:

1. Dans quels milieux la lumière se propage-t-elle ? 2. Comment se déplace la lumière dans ces milieux ? 3. On interpose un prisme sur le trajet de la lumière. 3.a. Qu’observe-t-onsur l’écran avant l’introduction du prisme ? 3.b. Qu’observe-t-onsur l’écran après l’introduction du prisme ? 3.c. Quel est le nom du phénomène observé ? 4. Un élève de seconde doit étudier le passage de la lumière de l’eau vers l’air, pour cela il suit le protocole expérimental suivant :

Placer le demi-disque contenant de l’eau, et tourner sa face arrondie vers la lampe. (cf. figure en annexe 1) Faire pivoter la lampe pour obtenir les différentes valeurs de l'angle d'incidenceidu tableau (cf annexe 2) et noter l’angle de réfractionrcorrespondant. Attention, le faisceau doit toujours passer parI. 4.a. Légender la figure de l’annexe 1 (à rendre avec la copie) en utilisant les mots suivants : Dioptre, rayon réfracté, rayon incident, angle incident, angle réfracté. 4.b. Calculer sin i et sin r (les écrire dans le tableau de l’annexe 2) pour les différentes valeurs de i et de r indiquées dans le tableau de l’annexe 2. Donner les résultats avec 3 chiffres significatifs. 4.c. Tracer la courbe sin i = f (sin r). 4.d. De quel type de courbe s’agit-il ? Ecrire l’équation générale de cette courbe ; en déduire une valeur expérimentale de l'indice de l'eau notée n exp . 4.e. Calculer la valeur de l’écart relatif sur la valeur de l’indice de l’eau. 4.f. Pour quelle raison l’élève n’a t’il pas pu effectuer de mesure pour i = 40°. Comment appelle-t-on ce phénomène ? Remarque : la valeur théorique de l'indice de l'eau est n th = 1,33. Annexe 1

Annexe 2 : i(°) 0 r(°) 0 Sin i Sin r

10 20 25 30 35 40 Pas de 11,0 20,5 30,1 42,0 46,0 mesure

Exercice2:

On fait pénétrer le pinceau de lumière dans l'hémicylindre de plexiglas non pas par la surface plane, mais par la surface cylindrique. Le pinceau incident est radial, c'est-à-dire selon un rayon du cylindre. Il n'est pas dévié en entrant dans le plexiglas. Le faisceau arrive sur le dioptre plan plexiglas/air. On prendra 1,5 pour l'indice du plexiglas.

1. Calculer l'angle de réfraction r pour un angle d'incidence i = 30°.

2. Essayer de calculer l'angle de réfraction pour i = 60°, Peut-on y parvenir ? Pourquoi ?

3. Compléter le tableau suivant: i 0°20° 40° 41° 42° 43° 50°80° r le rayon réfracté existe-t-il ? 4. Quand le rayon réfracté n'existe pas, qu'advient-il de la lumière incidente ?

Corrigé Exercice 1 : 1. La lumière se propage dans tous les milieux transparents. 2. Dans ces milieux (homogènes et isotropes), la lumière se propage rectilignement. 3.a. Avant l’introduction du prisme sur le trajet de la lumière, on observe la lumière blanche. 3.b. Après l’introduction du prisme, on remarque que la lumière blanche a été déviée et décomposée. 3.c. Ce phénomène est la dispersion de la lumière blanche. 4.a. Figure légendée de la situation :

rayon incident

angle incident

dioptre

angle réfracté

rayon réfracté

4.b. Calcul de sin i et sin r : i(° 10 20 25 30 35 40) 0 Pas de r(° 11,0 20,5 30,1 42,0 46,0) 0 mesure Sin i0 0,1740,342 0,423 0,500 0,574 0,643 Sin r0 0,1910,350 0,502 0,669 0,719 4.c. Courbe représentant la variation de sin i en fonction de sin r :

0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

sin i = 0,8088 sin r

0,2

0,4 sin r

0,6

0,8

4.d. La courbe précédente est une droite linéaire dont l’équation est sin i = 0,809 sin r ou sin r = 1,24 sin i. D’après la loi de la réfraction, on a n eau x sin i = n air x sin r, sachant que n air = 1, on a alors n eau = n exp = 1,24. 4.e. Valeur de l’écart relatif : n n exp % th 1, 24%1, 33 e1 11 soit e = 6,77 % : la valeur trouvée expérimentalement 0, 0677 n1, 33 th est alors acceptable car l’écart relatif est inférieur à 10 %. 4.f. Pour i = 40°,il n’y a pas de rayon réfracté : on ne peut donc pas mesurer d’angle réfracté, c’est le phénomène de la réflexion totale.

Exercice 2 :

1. Calcul de l'angle de réfraction r pour un angle d'incidence i = 30° : D’après la loi de la réfraction, n p ´sini ´ 1, 5sin 30 n´sini1n´sinr sinr11 1 donc r = 49°. 0, 75 et p air d’où n1, 0 air

2. Calculer l'angle de réfraction pour i = 60° : D’après la loi de la réfraction, n´sini p 1, 5´sin 60 n´sini1n´sinr p air d’où sinr11 11, 3 . n1, 0 air Cette valeur est impossible (sin < 1) donc l’angle réfracté n’existe pas : il n’y a pas réfraction.

3. Compléter le tableau suivant: i 0°20° 40° 41° 42° 43° 50°80° r 0°31° 75° 80°ø ø øø le rayon réfractéoui oui oui ouinon non nonnon existe-t-il ? 4. Quand le rayon réfracté n'existe pas, il n’y a pas réfraction, la lumière incidente est totalement réfléchie.