La craie invisible

La réflexion totale rend invisible un morceau de craie placé dans un tube à essais plongé dans l’eau.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un verre de forme haute

  • un tube à essais

  • un objet quelconque qu’on puisse introduire dans le tube à essais, par exemple un morceau de craie

Montage et réalisation

Placer un morceau de craie de couleur dans un tube à essais.

Introduire le tube à essais dans le verre d’eau en le tenant le plus horizontalement possible.

Un observateur situé au-dessus du verre d’eau voit la craie à l’intérieur du tube à essais. Redresser le tube dans l’eau pour qu’il soit presque vertical : on observe alors un reflet argenté à la surface du tube et la craie n’est plus visible.

Explications

Lorsque le tube à essais est dans l’eau, la lumière qui arrive sur le tube à essais passe de l’eau à l’air contenu dans le tube. On ne tiendra pas compte de la réfraction de la lumière sur le verre (voir à ce propos l’expérience n° 23 « Un tube en U pour guider la lumière »). Lors du passage d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent il y a réflexion totale de la lumière lorsque l’angle d’incidence est supérieur à l’angle limite. L’angle limite dépend des indices de réfraction des deux milieux. Pour un dioptre eau-air il vaut 48,6°.

Les figures précédentes montrent les trajets de quelques rayons lumineux particuliers.

La figure de gauche correspond au cas d’un tube presque horizontal, la figure de droite correspond à un tube redressé. On a choisi de négliger la réflexion de la lumière sur le verre du tube afin de ne par surcharger les schémas.

Lorsque le tube est presque horizontal dans l’eau, les rayons qui parviennent dans l’œil d’un observateur situé à la verticale du verre sont ceux qui sont arrivés sur le dioptre constitué par l’eau et l’air du tube sous une incidence inférieure à 48,6°. La plus grande partie de ces rayons a subi une réfraction à la traversée du dioptre eau-air puis une diffusion sur la craie. Ce sont ces rayons qui permettent à l’observateur de voir la craie.

Lorsque le tube est presque vertical dans l’eau, les rayons lumineux issus de la partie inférieure du tube et qui parviennent à l’observateur sont arrivés sur le dioptre constitué par l’eau et l’air du tube sous une incidence supérieure à 48,6° . Ils ont subi une réflexion totale. C’est la raison pour laquelle la surface du tube présente un reflet argenté et la craie de couleur située dans le tube n’est plus visible.

Plus le tube est vertical, plus la surface argentée paraît grande. Lorsqu’on verse de l’eau dans le tube, on fait disparaître le dioptre eau-air. Les rayons ne subissent de diffusion qu’au niveau de la craie : la craie redevient donc visible.

Références

Université en Ligne : Dioptre plan

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