Dispersion de la lumière blanche par un prisme

I. Mise en évidence

1. Mise en situation

• On éclaire un prisme avec un faisceau de lumière blanche :

• Observations :

  $\circ\quad$ La lumière est réfractée sur chaque face du prisme (voir la fiche Réfraction de la lumière) ;

  $\circ\quad$ En passant à travers le prisme, la lumière blanche est "transformée" en lumières colorées. On dit que le prisme décompose la lumière blanche ;

  $\circ\quad$ La figure colorée obtenue est appelée spectre. Ce spectre est continu du rouge au violet ;

  $\circ\quad$ La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette.

• Définition :

  La dispersion est le phénomène physique dans lequel les différentes radiations lumineuses (caractérisées par différentes fréquences) sont réfractées par le prisme avec différents angles.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ La lumière blanche est constituée de plusieurs lumières (ou radiations) colorées ;

  $\circ\quad$ La lumière blanche est polychromatique.

2. Dispersion de la lumière d'un laser

• Contrairement à la lumière blanche, la lumière du laser n'est pas décomposée en un spectre :

• Conclusion :

  $\circ\quad$ La lumière du laser est constituée d'une seule lumière (ou radiation) colorée ;

  $\circ\quad$ La lumière du laser est monochromatique.

3. Radiation et longueur d'onde

$\textcolor{purple}{\text{a. Longueur d'onde}}$

• Une lumière monochromatique ne peut pas être décomposée par un prisme.

• Chaque radiation lumineuse est caractérisée par sa longueur d'onde $\lambda$ dans le vide ou l'air. Son unité légale est le mètre ($m$).

• Le laser rouge utilisé au lycée a une radiation de longueur d'onde $\lambda = 633 ~ nm$.

• Remarque : une lumière complexe est un mélange de plusieurs radiations. Elle n'est pas caractérisée par une longueur d'onde. On lui associe une plage de longueurs d'onde.

$\textcolor{purple}{\text{b. Domaine de longueur d'onde du visible}}$

• L'œil humain n'est sensible qu'aux radiations dont les longueurs d'onde sont comprises entre $\boxed{\text{400 nm et 800 nm}}$.

• La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles.

II. Pourquoi le prisme disperse-t-il la lumière blanche ?

• Lorsqu'une lumière arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions : une sur la face d'entrée et une sur la face de sortie.

• Les deux lois de Snell-Descartes s'appliquent donc pour un prisme ! Il est donc conseillé de réviser la fiche de cours suivante :

  Réfraction de la lumière

• Propriété :

  Le trajet d'une radiation dépend de l'indice de réfraction du prisme car l'angle d'incidence est le même pour les différentes radiations qui constituent la lumière blanche.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Le trajet d'un rayon lumineux dans le prisme dépend de sa couleur ;

  $\circ\quad$ Or ce trajet dépend de l'indice de réfraction du prisme ;

  $\circ\quad$ L'indice de réfraction du prisme dépend de la longueur d'onde (ou de la fréquence) dans le vide de la radiation.

  $\circ\quad$ L'indice de réfraction d'un milieu transparent dépend de la longueur d'onde (dans le vide) de la radiation qui s'y propage.

  $\circ\quad$ On dit que le milieu (ici le prisme) est dispersif.

• Définition :

  On appelle milieu dispersif un milieu transparent dont l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Pour le verre ordinaire : $n_{\text{rouge}} = 1,510$ et $n_{\text{bleu}} = 1,520$.

  $\circ\quad$ Pour l'eau : $n_{\text{rouge}} = 1,330$ et $n_{\text{bleu}} = 1,336$.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Il n'y a pas que le prisme qui disperse la lumière blanche !

  $\circ\quad$ Toute séparation entre deux milieux d'indices différents permet de décomposer la lumière blanche : par exemple le réseau.

  $\circ\quad$ Le prisme permet de mieux mettre en évidence ce phénomène à cause de la double réfraction que subissent les rayons lumineux.

  $\circ\quad$ Un prisme permet d’obtenir des spectres de lumière. La nature du spectre dépendra de la nature de la source lumineuse (continu, en raies d'émission ou d'absorption).

_{= Merci à lulu3324 pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}