CAPES-Montage physique n°2 :
Expériences portant sur les prismes et les réseaux, applications

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Introduction :

Quel est le comportement de la lumière blanche vis à vis de certains insturments d'optique ?
Newton a démontré au XVIIème siècle qu'il pouvait y avoir décomposition de celle-ci. On peut mettre en évidence ce phénomène à l'aide de prismes et de réseaux.

I Le prisme :

1) Influence de l'angle A au sommet sur la déviation :

Expérience :

Déviation de la lumière par un prisme

Manipulations :

2) Décomposition de la lumière blanche :

Remarque :

On introduit cette expérience à ce niveau car elle sert de base à l'expérience suivante du polyprisme.

Expérience :

Décomposition de la lumière blanche par un prisme

Observations :

3) Variation de la déviation en fonction de l'indice du prisme :

Expérience :

Polyprisme : influence de la déviation en fonction de l'indice du prisme

Une fente éclairée en lumière blanche peut-être plus adapté qu'un laser.

Observations :

On obtient trois irisations différentes du point de vue de la déviation.
L'irisation la plus dévié correspond au prisme qui a le plus fort indice.

4) Influence de l'angle d'incidence sur la déviation :
Existence d'une déviation minimum et calcul de l'indice du prisme

a. Angle d'incidence et déviation minimum :

Expérience :

Déviation minimum

Manipulations :

Remarque :

Détermination expérimentale de A

b. Calcul de l'indice du prisme :

Voici les différentes relations que l'on peut utiliser dans le prisme :
i et r désignent les angles de la première réfraction, r' et i' les angles pour la deuxième réfraction. L'indice du prisme est n, son angle au sommet est A.

sin i = n sin r
n sin r' = sin i'
A = r + r'
D = i + i' - A

En dérivant D par rapport à i dans l'équation 4, on trouve une relation entre r et r' : r = r' = A/2, puis d'après les formules de Decartes (équations 1 et 2) on trouve une relation entre i et i' : i = i'.
On a donc r = A/2 (équation 3) et Dm = 2i - A (équation 4) cette dernière donnant i = (Dm + A)/2.
On obtient finalement d'après l'équation 1 :

Détermination de n du prisme

Le calcul donne n = 1.48 avec une incertitude de Δ n = 6*10-2. La formule qui donne l'incertitude est :

Incertitude sur n

II Le réseau :

1) Influence du pas du réseau sur la figure d'interférences :

Expérience :

Influence du pas du réseau

Observations et commentaires :

Remarques :

2) Mesure du pas du réseau :

Sur la figure d'interférences obtenue avec le réseau on mesure plusieurs interfranges et on détermine cette interfrange en moyennant :

4*i (interfrange en cm) = x (en cm) donc i = x/4.

En connaissant la formule qui donne la relation entre l'interfrange et le pas du réseau, on peut obtenir celui-ci :

i = λ*D/d = i*D*P
d'où P = i/(λ*D)
avec P : le pas du réseau (en traits par cm)
et D : la distance entre le réseau et l'écran d'observation (en m).

Calcul d'incertitude :

Δ P/P = Δi/i + ΔD/D

On mesure i = 18.5 cm (Δi = 1*10-3) et on a D = 3.65 m (ΔD = 4*10-2) et λ = 632.8 nm

On trouve donc P = 800 traits/cm +/- 13 (on peut comparer avec la donnée constructeur Pth = 787 traits/cm, on peut éventuellement calculer un écart relatif).

3) Application : spectre de raies :

Expérience :

Spectre de raies

Observations et commentaires :

Conclusion :

Nous venons de montrer que la lumière blanche contenait toutes les longueurs d'onde du visible.
On utilise la propriété de décomposition de la lumière des prismes et des réseaux pour analyser les spectres des étoiles par spectrographie.
En cherchant les analogies entre le spectre de raies d'une étoile et les spectres connus d'éléments chimiques, on peut remonter à la composition chimique de l'atmosphère de cette étoile.

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Dernière mise à jour : 1 juillet 2009