La fibre optique

Niveau Seconde – Thème Santé – Le diagnostic médical – Onde et médecine
Activité expérimentale

Objectif : Étudier le phénomène de réflexion totale de la lumière à partir de plusieurs documents et d’un dispositif expérimental.

Pré-requis
• Réfraction et lois de Snell-Descartes pour la réfraction.
• La lumière se propage rectilignement dans un même milieu homogène et transparent.

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Activité « Fibre optique et réflexion totale »

Problème : Quelles sont les conditions pour observer la réflexion totale ?

Document 1 : La fibre optique à saut d’indice

La fibre optique est largement utilisée dès qu’il s’agit de transmettre des informations par le biais de la lumière.

Les premières expériences de transmission optique datent de la fin du XIXème siècle. Mais le guidage efficace de la lumière jusqu’au destinataire de l’information n’a pu se développer qu’après avoir réglé les problèmes liés à la transmission en atmosphère libre. En effet, lorsque la lumière se propage dans l’atmosphère, elle est :
• absorbée en partie
• déviée par réfraction à cause des variations d’indice de réfraction (dues aux variation de température par exemple), de sorte qu’on ne peut pas envisager de transmission directe sur de longues distances dans ! l’atmosphère.

On a donc été conduit à envisager le guidage de la lumière dans un milieu transparent protégé de toute influence extérieure. La fibre optique est alors apparue, utilisant le principe bien connu des fontaines lumineuses. Jusqu’en 1970, l’affaiblissement du faisceau restait supérieur à 30% de sa valeur initiale au bout de 1km. Aujourd’hui, l’avancée des technologies sur les matériaux et les techniques de fabrication ont permis de mettre au point des fibres d’excellente qualité n’atténuant le signal qu’à 1% de sa valeur initiale au bout de 100km.

La fibre à saut d’indice est constituée d’un coeur cylindrique transparent d’indice de réfraction n₁ = 1,50 entouré d’une gaine concentrique d’indice de réfraction n₂ = 1,49 < n₁. L’ensemble est protégé par un revêtement en plastique. Une succession de réflexions totales permet au rayon lumineux de rester dans le coeur de la fibre jusqu’à sa face de sortie.

Document 2 : Utilisation de la fibre optique en médecine

En médecine, la fibre optique est utilisée pour guider la lumière à l’intérieur du corps humain lors d’un examen médical appelé «fibroscopie» (ou endoscopie). Cette technique présente un avantage important : cette méthode d’exploration d’imagerie médicale permet de visualiser les conduits et l’intérieur du corps humain sans l’ouvrir.

Document 3 : Les lois de Snell-Descartes sur la réflexion

1. Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale sont dans le même plan : c’est le plan d’incidence.

2. 

L’angle d’incidence i₁ et l’angle de réflexion i_R sont égaux en valeur absolue :

 

Travail à faire

1) A l’aide des documents, compléter le schéma suivant en repérant les différents angles d’incidence i₁, de réfraction i₂ et de réflexion i_R  en complétant les « trous ».

2) Donner le nom du phénomène observé à l’entrée de la fibre optique et décrire ce phénomène en une phrase.

3) En utilisant judicieusement le demi-cylindre en plexiglas, proposer une expérience pour modéliser la propagation de la lumière à l’intérieur de la fibre optique (on ne modélisera qu’une seule réflexion totale). Réaliser cette expérience.
Faire un schéma de l’expérience et réaliser un protocole pour expliquer ce que vous allez faire. Rédiger.

4) A partir d’une certaine valeur d’angle d’incidence limite i_1lim, dire ce que l’on observe et compléter le tableau suivant.

 

5) Donner les deux conditions pour observer une réflexion totale.

6) Faire une synthèse pour décrire le trajet de la lumière guidée dans une fibre optique. 
Vous devez préciser le phénomène observé à l’entrée et à la sortie de la fibre optique et le phénomène observé à l’intérieur de la fibre optique. Vous expliquerez aussi pourquoi il se produit ces différents phénomènes en vous aidant des indices des différents milieux et des conclusions tirées de votre expérience.

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Aide

Aide pour la question 1)

Aide 1 pour la question 3)

Aide 2 pour la question 3)

Aide 3 pour la question 3)

Aide pour la question 4)

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Solution

 1) 2) A l’entrée de la fibre optique, au niveau de l’interface entre l’air et le coeur de la fibre, on observe un phénomène de réfraction : le rayon incident est réfracté lorsqu’il change de milieu.
Rmq : le rayon réfracté n’est pas visible sur ce schéma.

3) A l’intérieur de la fibre optique, le faisceau lumineux passe d’un milieu plus réfringent (le coeur a un indice de réfraction de 1,50) à un milieu moins réfringent (la gaine a un indice de 1,49). Pour modéliser la propagation de la lumière à l’intérieur de la fibre optique il faut donc passer d’abord dans un milieu d’indice plus grand (plexiglas n_plexiglas = 1,50) plus dans un milieu d’indice plus petit (air n_air = 1,0).

Au bout d’un certain angle limite, on n’observe plus le rayon réfracté : on est dans le cas de la réflexion totale.

4) On remarque que dans le cas où l’indice n₁ est supérieur à l’indice n₂ , à partir d’un certain angle d’incidence (qu’on appelle l’angle limite d’incidence), on n’observe plus de réfraction.

5) Pour observer une réflexion totale, il faut passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent, c’est-à-dire d’un milieu d’indice plus grand, à un milieu d’indice plus faible. De plus, il faut que l’angle d’incidence soit supérieur à l’angle d’incidence limite.

6) Synthèse


A l’entrée de la fibre optique, le faisceau lumineux passe de l’air vers la fibre optique : il change donc de milieu et il est donc réfracté.

Ensuite, le faisceau lumineux continue de se propager dans le coeur de la fibre optique jusqu’à arriver à l’interface entre la gaine et le coeur. L’indice de réfraction de la gaine est plus important que l’indice de réfraction du coeur, et son angle d’incidence est supérieur à l’angle d’incidence limite de telle sorte qu’il se produit une succession de réflexion totale à l’intérieur de la fibre optique.

Enfin à la sortie, le faisceau lumineux change de milieu en passant du coeur de la fibre optique vers l’air : il se produit donc à nouveau un phénomène de réfraction.