Niveau Seconde – Thème Univers – Les étoiles
Objectif : Étudier et comprendre le phénomène de dispersion de la lumière blanche.
Pré-requis
• Réfraction de la lumière.
• La lumière se propage rectilignement dans un même milieu homogène et transparent.
Activité « Arc-en-ciel »
Document 1 : Formation d’un arc-en-ciel
Les arcs-en-ciel sont visibles lorsque le Soleil, placé derrière l’observateur, éclaire un nuage de fines gouttelettes d’eau formé par exemple après une averse. En laboratoire, pour modéliser une gouttelette d’eau on peut utiliser un prisme et pour modéliser la lumière provenant du Soleil, on peut utiliser une lampe émettant de la lumière blanche.
Document 2 : Animation sur ostralo.net
Travail à faire
A l’aide des documents et de vos connaissances, essayer d’expliquer de manière rigoureuse et scientifique la formation des arcs-en-ciel. Penser à faire un schéma.
Solution
Observations
Lorsque le faisceau lumineux passe de l’air vers le prisme et rencontre la première interface air / prisme, il est dévié une première fois car il change de milieu. Ensuite, il est dévié une deuxième fois lorsqu’il rencontre la deuxième interface prisme / air.
Les différents rayons lumineux ne sont pas déviés de la même manière dans le prisme en fonction de leur longueur d’onde : le violet est plus dévié que le rouge.
Interprétation
Tout se passe comme si chaque radiation de longueur d’onde traversait un milieu d’indice de réfraction n différent en fonction de la longueur d’onde.
Chaque faisceau lumineux de longueur d’onde différente subit une réfraction dans le prisme mais est dévié différemment (angle de réfraction différent en fonction de la longueur d’onde).
Conclusion
La lumière blanche est composée d’une infinité de radiations lumineuses qui comprend toutes les longueurs d’onde du visible comprise entre 400 et 800nm.
L’indice de réfraction du prisme dépend de la longueur d’onde des radiations. Il se produit un phénomène de réfraction, d’abord sur la première interface air / prisme puis sur la deuxième interface prisme / air : ainsi les radiations violettes sont plus déviées que les rouges : ce qui provoque la décomposition de la lumière blanche initiale.
Bilan
Le prisme est un milieu dispersif : il décompose la lumière blanche.
Tout se passe comme si l’indice de réfraction du prisme était différent en fonction de la longueur d’onde de la radiation lumineuse.
nrouge ≠ nbleu ≠ nvert ≠ nviolet
Par exemple, pour un prisme en verre flint :
• nrouge = 1,61
• nviolet = 1,67
Rayonnement solaire à travers une goutte d’eau
Éprouvette au carré 
