Activité expérimentale : la fibroscopie I. INTRODUCTION : II. Qu’est ce que j’ai appris au Collège ? En optique géométrique, le trajet de la lumière se modélise par un rayon. 1) Que pouvezvous dire sur la direction de propagation de ce rayon dans l’air ? □ Le rayon va dans toutes les directions □ Le rayon est sinusoïdal □ Le rayon se déplace en ligne droite □ Le rayon peut se courber 2) Quels types de matériaux la lumière traversetelle ? □ Tous les matériaux la lumière passe partout □ Tous les matériaux sauf le bois et le métal Comment se propage la lumière dans la fibre optique ? Imaginez et dessiner le trajet de la lumière à l’intérieur d’une « fibre optique » D essiner le trajet de la lumière sur le schéma cidessus. Par quel phénomène se propage la lumière dans une fibre optique ? Que fautil pour que la lumière change de direction ? Formulez une hypothèse sur la condition nécessaire au changement de direction de la lumière. 4) Que fautil pour que la lumière se propage en ligne droite ? □ Uniquement les matériaux transparents □ Cela dépend de la couleur de la lumière 3) Dans l’air, la lumière peutelle être courbée ? □ Oui si il y a du vent □ Non jamais □ Cela dépend du milieu de propagation □ Non, mais on peut la forcer à suivre une certaine direction.
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Activité expérimentale : la fibroscopie
I. INTRODUCTION :
II. Qu’est ce que j’ai appris au Collège ? En optique géométrique, le trajet de la lumière se modélise par un rayon.
1) Que pouvez-‐vous dire sur la direction de propagation de ce rayon dans l’air ? □ Le rayon va dans toutes les directions □ Le rayon est sinusoïdal □ Le rayon se déplace en ligne droite □ Le rayon peut se courber 2) Quels types de matériaux la lumière traverse-‐t-‐elle ? □ Tous les matériaux la lumière passe partout □ Tous les matériaux sauf le bois et le métal Comment se propage la lumière dans la fibre optique ? ü Imaginez et dessiner le trajet de la lumière à l’intérieur d’une « fibre optique »
ü Dessiner le trajet de la lumière sur le schéma ci-‐dessus. ü Par quel phénomène se propage la lumière dans une fibre optique ? Que faut-‐il pour que la lumière change de direction ? Formulez une hypothèse sur la condition nécessaire au changement de direction de la lumière.
4) Que faut-‐il pour que la lumière se propage en ligne droite ? □ Uniquement les matériaux transparents □ Cela dépend de la couleur de la lumière 3) Dans l’air, la lumière peut-‐elle être courbée ? □ Oui si il y a du vent □ Non jamais □ Cela dépend du milieu de propagation □ Non, mais on peut la forcer à suivre une certaine direction.
C3 – TP – 2de 2011/2012
Lycée Saint Joseph Pierre Rouge
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III. VISUALISATION DES PHENOMENES DE REFRACTION ET DE REFLEXION TOTALE
1. Passage de l’air dans le plexiglas
a. Situation 1 : Eclairer la face plane du demi-‐cylindre à l’aide d’un faisceau de lumière dirigé vers son centre comme sur la figure ci-‐contre.
b. Constater l’existence d’un rayon se réfléchissant sur la surface plane séparant le l’air et le plexiglas. L’angle de réflexion i’ est égal à l’angle formé par le faisceau réfléchi avec la normale à la surface de séparation en O (voir schéma ci-‐dessous). Mesurer i’ et
comparer sa valeur à celle de l’angle d’incidence i.
c. Observer alors le faisceau transmis dans le plexiglas depuis le point O, appelé faisceau réfracté. L’angle de réfraction r est l’angle entre le faisceau réfracté et la normale à la surface de séparation en O. Mesurer la valeur de r. La comparer à i.
d. Faire un schéma à l’échelle du dispositif sur lequel figureront les
faisceaux incident, réfléchi et réfracté. Indiquer les trois angles i, r et i’.
e. Faire varier de 0 à 90° l’angle d’incidence i. Noter les phénomènes qui se produisent au niveau de la surface de séparation entre l’air et le demi-‐cylindre.
2. Passage du plexiglas dans l’air
a. Situation 2 : Eclairer la face cylindrique du demi-‐cylindre à l’aide d’un faisceau de lumière dirigé vers son centre comme sur la figure ci-‐contre. Constater l’existence d’un rayon se réfléchissant sur la surface plane séparant le plexiglas et l’air ; et d’un rayon transmis dans l’air. Mesurer l’angle de réflexion i’ et comparer sa valeur à celle de l’angle d’incidence i. Mesurer la valeur de l’angle de réfraction r et comparer à i. L’angle de réfraction
r est-‐il plus petit que l’angle d’incidence i ?
b. Faire un schéma à l’échelle du dispositif sur lequel figureront les faisceaux incident, réfléchi et réfracté. Indiquer les trois angles i, r et i’.
c. Faire varier de 0 à 90° l’angle d’incidence i. Noter les phénomènes qui se produisent au niveau de la surface de séparation entre le demi-‐cylindre en plexiglas et l’air.
Exploitation
a. Au-‐delà de quelle valeur de l’angle d’incidence i n’y a-‐t-‐il plus de rayon réfracté ?
b. Lorsque i dépasse cette valeur, il y a réflexion totale. Rédiger un texte décrivant ce phénomène.
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Lycée Saint Joseph Pierre Rouge
c. Le phénomène de réflexion totale existe-‐t-‐il lorsque le faisceau incident passe de l’air dans le plexiglas (situation 1) ?
d. Dans la situation 1, l’angle de réfraction est-‐il plus petit que l’angle d’incidence ? même question dans la situation 2. Expliquer cette différence en utilisant le tableau donnant la vitesse de la lumière dans différents milieu transparent donné dans la partie introduction. A votre avis quel chemin doit suivre un sauveteur depuis son poste de garde pour secourir un personne entrain de se noyer dans la mer ? Faire un schéma.
e. Les milieux sont caractérisés par les indices de réfraction, une grandeur sans unité notée n. Voici quelques valeurs :
Lorsqu’il n’y a pas de rayon réfracté on parle de réflexion totale. Quelle condition sur les indices des milieux faut-‐il pour qu’il y ait réflexion totale?
IV. CONCLUSION Une fibre optique est généralement constituée de verre. Comment le phénomène de réflexion totale permet-‐il d’expliquer que la lumière puisse être véhiculée sur de longue distance dans la fibre sans en sortir ?
A chaque pixel de l’image fournie par un fibroscope est associée une fibre qui transporte la lumière venant d’un point de la zone observée. On considère un fibroscope dont le faisceau de fibre a 5 mm de diamètre, chaque fibre ayant un diamètre de 7 µm. Evaluez le nombre de pixels de l’image.