TP6 La fibroscopie (1/2)La fibroscopie (1/2)

ObjectifsObjectifs de la séance :de la séance :

- Étudier la loi de la réfraction de la lumière ;- Déterminer l’indice de réfraction d’un milieu ;

1)1) VocabulaireVocabulaire

1

Milieu transparent 1 (indice de réfraction n1)

Milieu transparent 2 (indice de réfraction n2)

Surface de séparation entre les 2 milieux

La fibroscopie est une technique médicale permettant d’explorer les organes à l’intérieur du corps. Un dispositif de fibroscopie comprend deux fibres optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre transmet l’image à l’observateur.

Comment se propage la lumière à l’intérieur d’une fibre optique ?

On appelle réfraction de la lumière, le changement de direction qu’elle subit lorsqu’elle traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents.

2)2) La réfraction de la lumièreLa réfraction de la lumière

Dispositif expérimental : Protocole expérimental :

Placez le demi-disque de plexiglas sur la plate-forme tournante en respectant les consignes suivantes :

- la tranche du demi-disque coïncide avec l’axe 90-90.- Le centre du disque coïncide avec le centre de la

plaque tournante.

Éclairez la section droite du demi-disque en faisant tourner la plate-forme.

a) Sur le dessin du dispositif expérimental (voir « fiche réponse »), représentez :

- le point d’incidence I- la normale (N)- l'angle d'incidence i1

- le rayon réfléchi et l'angle de réflexion r entre la normale et le rayon réfléchi- le rayon réfracté et l’angle réfracté i2 entre la normale et le rayon réfracté

b) Pour différentes valeurs de l’angle d’incidence i1, relevez la valeur de l’angle réfracté i2 et complétez le tableau ci-dessous :

i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70i2 (°)sin i1

sin i2

3)3) Exploitation des mesuresExploitation des mesures

René DESCARTES était un philosophe et savant français (1596-1650).

On lui attribue la loi de la réfraction (1637) qui fait intervenir le sinus de l’angle d’incidence (sin i1) et le sinus de l’angle de réfraction (sin i2). Cette loi affirme que le rapport sin i2 / sin i1 est constant lorsque la lumière passe d'un milieu transparent à un autre.

René DESCARTES proposa une loi pour le phénomène de la réfraction, appelée plus tard 3ème loi de Snell-Descartes.

a) Quelle est la loi proposée par René DESCARTES ?b) Représentez le graphe sin i2 (ordonnée) en fonction de sin i1 (abscisse)c) Modélisez la courbe (suivre les indications du professeur) et indiquez l’équation de la droite obtenue ainsi

que son coefficient directeur.d) Commentez l’allure de la courbe. Qu’en déduisez-vous ?

Les milieux transparents sont caractérisés par leur indice de réfraction : n. Cet indice est un nombre (sans unité) supérieur ou égal à 1 et en général inférieur à 3.

e) A partir de l’équation de la droite obtenue, en déduire la valeur de l’indice du plexiglas.

Donnée : L'indice de réfraction de l'air est 1,0.

4)4) ConclusionConclusion 2

En vous appuyant sur les différentes expériences réalisées, concluez en répondant à la question du début de l’activité.

AIDE POUR LE COMPTE-RENDUAIDE POUR LE COMPTE-RENDU Vous devez répondre aux questions en reprenant l’ordre et le numéro des questions

Doivent apparaitre dans votre compte-rendu, les choses suivantes :

1)1) VocabulaireVocabulaire

Reproduire le schéma complété de cette partie sur votre compte rendu.

2)2) La réfraction de la lumièreLa réfraction de la lumière

a) Dessin annoté du dispositif expérimental :

b) Tableau des mesures :

i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70i2 (°)sin i1

sin i2

sin i1 / sin i2

3)3) Exploitation des mesuresExploitation des mesures

La courbe sin i2 = f(sin i1) devra être jointe au compte rendu.

Réponses aux questions a), d) et e) dans l’ordre en respectant la numérotation.

4)4) ConclusionConclusion

Votre conclusion (réponse à la question du début de l’activité)

5)5) Pour aller plus loinPour aller plus loin (facultatif)

En vous aidant de ce que vous avez vu lors de la séance, d’un dictionnaire ou d’Internet, expliquez, en quelques mots, ce qu’est un mirage.

3

AIDE

Proposition de DESCARTES :

La relation pour tous les angles d'incidence et de réfraction est :

n1 × sin i1 = n2 × sin i2 sin i2 / sin i1 = n1 / n2 = cten1 : indice de réfraction du premier milieu traversé par la lumière.n2 : indice de réfraction du deuxième milieu traversé par la lumière

Compétences mises en jeu Acquise

En cours d’acquisitio

n

Non acquis

eJe pratique une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d’exploration Je pratique une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totaleJe respecte les règles de sécurité élémentaires pour l’utilisation du matériel et des produitsJe sais observer et décrire Je mobilise ma curiosité et ma créativitéJe sais mesurer un angle

4

Normale

dioptre

I

Point d’incidence

Rayon réfracté

Rayon réfléchi

Angle deréfraction

Angled’incidence

Angle deréflexionRayon incident

COMPTE-RENDUCOMPTE-RENDUObjectifsObjectifs de la séance :de la séance : (0,5 pt)

- Etudiez les lois de la réfraction et de la réflexion de la lumière ;- Déterminez l’indice de réfraction d’un milieu ;- Appliquez les connaissances établies à l’étude d’une fibre optique (fibroscopie – endoscopie).

1)1) Vocabulaire Vocabulaire (12 0,5 pt)

2)2) La réfraction de la lumièreLa réfraction de la lumière

a) Dessin annoté du dispositif expérimental : (7 0,5 pt)

b) Tableau des mesures : (0,5 pt)

i1 (°) 0 10 20 30 40 50 60 70i2 (°)sin i1

sin i2

5

Présentation : 2 pts

3)3) Exploitation des mesuresExploitation des mesures

a) La loi proposée par René DESCARTES est : lorsque la lumière passe d'un milieu transparent (milieu 1) à un autre (milieu 2), le rapport entre le sinus de l’angle d’incidence i2 et l’angle de réfraction i1 est constant.

Cette loi peut se traduire par la relation : (1 pt)

b) Courbe représentant les variations de sin i1 et de sin i2 : (5 0,5 pt)

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.200.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

f(x) = 0.653937950372041 x

Courbe sin i2 = f(sin i1)

sin i1

sin i2

d) La courbe obtenue est une droite passant par l’origine (droite linéaire) (0,5 pt). On en déduit donc que les deux grandeurs représentées sont proportionnelles, ce qui est en accord avec la loi de René DESCARTES. (0,5 pt)

e) D’après la loi de Snell-Descartes, on sait que :

que l’on peut aussi écrire

n1 sin i1 = n2 sin i2

Si on applique cette loi à notre situation, on en déduit :

nair sin i1 = nplexiglas sin i2

(milieu 1 : air ; milieu 2 : plexiglas)

6

L’équation de la droite expérimentale modélisée est : sin i2 = 0,6539 sin i1

En identifiant l’équation de la droite obtenue par modélisation et la loi de Snell- Descartes, on en déduit :

nplexiglas = 1,53 (1 pt)4) ConclusionConclusion (2 pts)

Votre conclusion (réponse à la question du début de l’activité)

5)5) Pour aller plus loinPour aller plus loin

Lorsque la température du sol est différente de celle de l'atmosphère, il existe au voisinage du sol une couche d'air dans laquelle l'indice de réfraction varie rapidement, entraînant pour les rayons lumineux une courbure qui déforme l'image des objets situés au ras du sol. Si le sol est chaud, la courbure est dirigée vers le haut et les objets se doublent d'une image renversée laissant croire à un reflet sur un plan d'eau alors qu'en fait c'est le ciel qui donne cet effet.

Exemple :

Dans les régions polaires, où le sol est très froid, les rayons lumineux sont courbés vers le bas, ce qui fait qu'un objet situé au sol semble flotter en l'air. Ce phénomène rend possible la vision d'objets situés au-delà de l'horizon.

Exemple :

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FICHE TPFICHE TPTHEME DOMAINE

LA SANTE L’UNIVERS Les étoiles – Le diagnostic médical

Type d’activité : activité expérimentale

Conditions de mise en œuvre : 1,5 h

Pré-requis : (classe de 3ème)

- Savoir que la lumière se propage de façon rectiligne dans un milieu homogène et transparent :- Savoir qu’un faisceau de lumière est invisible (il faut mettre sur son passage de fines particules diffusantes

pour le visualiser) ;- Savoir qu’il y a proportionnalité entre deux grandeurs lorsque la courbe représentative d’une grandeur en

fonction de l’autre est une droite passant par l’origine.

NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUESLe diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l'imagerie et des analyses médicales permettent d’établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé (électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie, …). L’observation de résultats d’analysesmédicales permet d’introduire les notions de concentration et d’espèces chimiques ainsi que des considérations sur la constitution et la structure de la matière.Propagation rectiligne de la lumière.

Réfraction et réflexion totale.

Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale.Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d’exploration et l’influence des propriétés des milieux de propagation.

Les étoiles : l’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l‘utilisation de systèmes dispersifs.

Réfraction.Lois de Snell-Descartes.

Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.

Compétences transversales :

- Comprendre un énoncé, une consigne ;- Répondre à une question par une phrase complète ;- Utiliser des dictionnaires, imprimés ou numériques ;- Formuler des hypothèses ;- Raisonner, argumenter, démontrer ;- Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté ;- Mener à bien un calcul à la calculatrice ;- Réaliser des mesures (angles), calculer des valeurs (indice de réfraction) en utilisant différentes unités ;- Travailler en équipe.

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Matériel :

Matériel (par table) :

- Source de lumière avec fente ;- Demi-disque de plexiglas sur plate-forme.

Matériel (Bureau professeur) :

- 1 laser sur support (incliné) ;- Cuve à eau remplie au ¾ avec fluorescéine

diluée dans de l’eau.- Expérience : la fontaine lumineuse

Déroulement de la séance :

Projection de la vidéo : Opération du cœur avec un fibroscopeDiscussion classe entière pour élaborer un protocole expérimental.

DOCUMENTS PROFESSEURDOCUMENTS PROFESSEURLe travail de chaque groupe consiste à concevoir et réaliser une expérience (à l’aide du matériel mis à votre disposition) permettant de confirmer ou non les arguments ou observations des savants.

Déroulement de la séquence :

Le professeur fait d’abord l’expérience (réfraction de la lumière dans une cuve contenant un mélange d’eau et fluorescéine) au bureau tout en projetant l’animation PowerPoint « TP n°3 - Réfraction de la lumière.pptx (Diapositive 1) » puis engage une réflexion en classe entière afin d’aboutir à une hypothèse commune pour démarrer la partie expérimentale :

Les élèves réfléchissent par groupe de 2 à l’hypothèse. Puis une mise en commun est faite au tableau. Les élèves réfléchissent par groupe de 2 à l’expérience à mettre en œuvre. Un élève est envoyé au tableau pour proposer une solution. Une discussion avec la classe s’engage pour compléter éventuellement le dessin / schéma proposé.

Montage à réaliser :

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