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🌈 Ondes, lumière et sonSeconde → Première

🌈 L'arc-en-ciel dans une goutte d'eau

Un arc-en-ciel, c'est des milliards de gouttes de pluie qui jouent chacune au prisme… mais seulement celles qui sont exactement à 42° de l'ombre de ta tête ! Fais entrer un rayon de Soleil dans une goutte, regarde-le se réfracter, rebondir sur le fond et ressortir en couleurs, puis va voir dans le paysage pourquoi il faut toujours avoir le Soleil dans le dos.

🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.

Ce que tu vois

  • Le rayon blanc se réfracte en entrant dans la goutte, se réfléchit sur le fond, puis se réfracte à nouveau en sortant. Comme l'indice de l'eau dépend de la couleur, le rouge et le violet ne suivent pas exactement le même chemin : la lumière est dispersée.
  • Sur le graphe, l'angle θ de sortie dépend du point d'entrée b. Il passe par un maximum (environ 42° pour le rouge, 40,5° pour le violet) : autour de ce maximum, beaucoup de rayons ressortent presque dans la même direction. C'est ce paquet de lumière qui fait l'arc.
  • Avec le faisceau de rayons parallèles, on voit les rayons sortants se regrouper vers l'angle maximal.
  • Dans le paysage, l'arc est un cercle centré sur le point antisolaire, dans l'ombre de ta tête : le rouge est à l'extérieur, le violet à l'intérieur. Plus le Soleil est haut, plus l'arc s'enfonce sous l'horizon.
  • L'arc secondaire (deux réflexions dans la goutte) est plus grand (environ 51°), plus pâle et a ses couleurs inversées ; entre les deux, le ciel est plus sombre : c'est la bande d'Alexandre.

Expériences à faire

  • Pour quel point d'entrée b le rouge ressort-il avec le plus grand angle ? Combien vaut cet angle ?
  • Pourquoi le rouge est-il à l'extérieur de l'arc primaire et le violet à l'intérieur ?
  • Jusqu'à quelle hauteur du Soleil peut-on voir un arc-en-ciel ? Pourquoi en voit-on surtout le matin et le soir ?
  • Avec des billes de verre (panneaux routiers), l'arc est-il plus grand ou plus petit ?
  • Passe à deux réflexions : dans quel ordre sont les couleurs de l'arc secondaire ?

La physique derrière l'animation

  • Réfraction (loi de Snell-Descartes) : nair × sin i = neau × sin r. Pour un rayon qui entre à la hauteur b dans une goutte de rayon R : sin i = b / R.
  • Réflexion sur le fond de la goutte : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. À la sortie, le rayon se réfracte à nouveau et ressort avec l'angle i.
  • La géométrie de la goutte donne l'angle avec la direction opposée au Soleil : θ = 4r − 2i (une réflexion). Ce θ passe par un maximum : environ 42° pour le rouge (n = 1,331) et 40,5° pour le violet (n = 1,344).
  • Dispersion : l'indice de l'eau dépend de la longueur d'onde (il est plus grand pour le violet), d'où la séparation des couleurs, comme dans un prisme.
  • On voit l'arc dans les gouttes situées à environ 42° du point antisolaire : il faut avoir le Soleil dans le dos et la pluie devant soi, et le Soleil doit être à moins de 42° au-dessus de l'horizon. Arc secondaire (deux réflexions) : θ = 180° + 2i − 6r, environ 50 à 54°, couleurs inversées.

Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉

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