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Dispersion de la lumière Guide

PhysiqueIntermédiaireTemps de lecture: 4 min

Aperçu

En 1666, Newton laissa passer un faisceau de lumière solaire à travers un prisme triangulaire dans une pièce sombre, et un magnifique ruban de sept couleurs apparut sur le mur. Cette expérience a complètement brisé la croyance traditionnelle selon laquelle « la lumière est une entité pure et unique ». Cette expérience vous ramène à la découverte classique de Newton, simulant le processus de décomposition de la lumière blanche à travers un prisme triangulaire pour explorer les différences infimes dans les propriétés de réfraction des différentes lumières monochromatiques.

Contexte

Avant Newton, on croyait largement que la lumière blanche était la plus pure et que les couleurs étaient causées par une sorte de « pollution » de la lumière par les objets. Newton a prouvé par la célèbre « expérience du prisme » que la lumière blanche est en réalité un mélange de lumières de différentes couleurs. Plus ingénieusement encore, il a utilisé un deuxième prisme pour recombiner les sept couleurs de lumière en lumière blanche, confirmant indiscutablement la théorie de la dispersion de la lumière. Cette découverte a ouvert la porte à la spectroscopie, nous permettant même d'analyser la composition d'étoiles situées à des milliards d'années-lumière.

Concepts clés

Dispersion de la Lumière

Le phénomène où la lumière polychromatique se décompose en lumières monochromatiques. Après que la lumière blanche traverse un prisme, elle se décompose en sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

Spectre

Une bande de lumière colorée disposée par ordre de longueur d'onde (ou fréquence) après la décomposition de la lumière polychromatique. C'est l'« empreinte digitale » de la lumière blanche.

Indice de Réfraction et Fréquence/Longueur d'onde

nviolet>nredn_{\text{violet}} > n_{\text{red}}

L'indice de réfraction d'un milieu est différent pour la lumière de différentes couleurs. La lumière avec une fréquence plus élevée et une longueur d'onde plus courte (comme la lumière violette) a un indice de réfraction plus grand et dévie de manière plus significative.

Formules et dérivation

Relation entre Déviation et Indice de Réfraction

δ∝n−1\delta \propto n - 1
Puisque l'indice de réfraction nn du verre pour la lumière violette est plus grand, l'angle de déviation δ\delta de la lumière violette par rapport à sa direction de propagation d'origine lorsqu'elle traverse le prisme est le plus grand, et la lumière rouge est le plus petit.

Étapes de l'expérience

  1. 1

    Recréer l'Expérience de Newton

    Observez le processus d'un faisceau de lumière blanche entrant dans un prisme triangulaire. Qu'arrive-t-il à la lumière à la première interface du prisme ? Le faisceau lumineux est-il toujours blanc après être entré dans le prisme ?
  2. 2

    Explorer les Angles de Déviation

    Faites glisser le curseur « Angle d'incidence » pour changer la direction incidente de la lumière. Observez attentivement la bande de lumière colorée quittant le prisme. Quelle couleur de lumière dévie le plus (la position absolue est la plus basse) ? Laquelle dévie le moins ?
  3. 3

    Comparer l'Arrangement Spectral

    Enregistrez l'ordre des sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. En comparant leurs données de longueur d'onde, quel modèle trouvez-vous entre l'indice de réfraction et la longueur d'onde ?
  4. 4

    Explorer la Lumière Invisible

    Cliquez sur « Afficher Infrarouge » et « Afficher Ultraviolet ». Dans quelles régions du spectre sont-ils situés respectivement ? Sur la base de cette distribution, pouvez-vous deviner pourquoi les rayons infrarouges ont un effet thermique significatif ?

Objectifs d'apprentissage

  • Confirmer que la lumière blanche est une lumière polychromatique composée de sept lumières monochromatiques : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.
  • Maîtriser l'ordre du spectre après dispersion et la différence de capacité de déviation qu'il représente.
  • Comprendre le principe de la dispersion du prisme : le même milieu a des indices de réfraction différents pour la lumière de différentes longueurs d'onde.
  • Reconnaître les régions invisibles dans le spectre (région infrarouge et région ultraviolette).

Applications réelles

  • Arc-en-ciel : La lumière du soleil entrant dans de petites gouttelettes d'eau dans l'air après la pluie subit une réfraction, une réflexion et une réfraction à nouveau, entraînant des phénomènes de dispersion.
  • Analyse Spectrale : Les scientifiques peuvent déterminer les éléments constitutifs des étoiles lointaines en analysant le spectre qu'elles émettent.
  • Communication par Fibre Optique : Utilisation de la technologie de compensation de dispersion pour assurer l'intégrité du signal sur une transmission longue distance.
  • Identification de Pierres Précieuses : La valeur de dispersion élevée (feu) des diamants est une raison importante de leur beauté et peut également être utilisée pour déterminer leur authenticité.

Idées reçues

Erreur
Le prisme « teint » la lumière avec de la couleur.
Correct
Incorrect. Le prisme « trie » simplement les différentes lumières monochromatiques qui existent déjà dans la lumière blanche à travers différents chemins de réfraction ; il ne produit pas de nouvelles couleurs.
Erreur
L'infrarouge est rouge et l'ultraviolet est violet.
Correct
Incorrect. L'infrarouge et l'ultraviolet sont tous deux invisibles à l'œil nu. La lumière rouge que nous voyons habituellement des radiateurs est une lumière rouge visible produite de manière concomitante, pas l'infrarouge lui-même.

Lectures complémentaires

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