Arc-en-ciel

lundi 26 octobre 2015, par Claude Rouleau.

Travail sur les spectres à partir de l’arc-en-ciel

Sites Web ressources

Arc-en-ciel sur le site de l’ENS de Lyon

Arc-en-ciel sur le site météo.org

Progression sur l’Arc-en-ciel

Fiche professeur

1°)Questionnaire
Les élèves regardent des photos d’arc-en-ciel sur les sites web proposés et répondent aux questions.

JPEG2°)Interprétation
a) point de vue qualitatif
Après mise en commun des réponses au questionnaire, il est possible de tirer une première conclusion : l’arc-en-ciel est dû à un phénomène de réfraction et de dispersion à l’intérieur des gouttes d’eau d’un nuage ou d’une averse.
Distribuer alors la fiche explicative proposée en résumé.

b)approche expérimentale
1°) La manipulation schématisée ci-contre permet de visualiser le spectre d’une « goutte d’eau », la goutte étant représentée par le ballon de 250ml. (manip collective)

2°) à l’aide d’un faisceau laser et d’un ballon d’eau, il est possible de suivre (plus ou moins bien) les réflexions de la lumière sur les parois de la goutte. (manip individuelle)

3°)Activité
Tracer sur une feuille de papier le trajet d’un rayon lumineux subissant une réflexion totale à l’intérieur d’une goutte d’eau schématisée par un cercle de 10 cm de diamètre. Se placer dans le cas d’un angle d’incidence de 60° ( ce qui correspond à peu près au minimum de déviation) et d’un indice moyen de 1,33. Mesurer au rapporteur l’angle aigu que forme le rayon incident et le rayon émergent. Il est aussi possible de diviser les élèves en plusieurs groupes travaillant à partir d’angles d’incidence variés ( 50° ,60° ,70°) et de vérifier que l’angle aigu que forme le rayon incident et le rayon émergent reste voisin de 42°.

L’arc-en-ciel, Questionnaire

Fiche élève

Après avoir observer les photos d’arc-en-ciel, répondre aux questions suivantes

Couleur

1°) Quelles sont les 7 couleurs traditionnellement attribuées à l’arc-en-ciel ? Cette classification vous paraît-elle compatible avec ce que vous savez sur la lumière ?

2°) Quel phénomène physique peut on associer à l’arc-en-ciel ? Quel nom donne-t-on au résultat observé ?

3°)Dans quel ordre varient les couleurs de l’intérieur vers l’extérieur de l’arc ?

4°) Parfois on observe un arc double.

a) le deuxième arc est-il aussi intense que le premier ?

b) l’ordre des couleurs est-il le même dans les deux arcs ?

Les conditions d’observation

1°) D’après l’étude des photos pouvez-vous préciser les places relatives du soleil de l’observateur et de l’arc ?Si possible faire un schéma.

2°) Dans quelles conditions atmosphériques peut –on observer un arc-en-ciel ?

3°) A quel(s) moment(s) de la journée a-t-on le plus de chance d’observer un arc-en-ciel ? Quelle est alors la position du soleil par rapport à l’horizon ?

Exemple de spectre : l’Arc-en-ciel

Fiche résumé

Conditions d’observation :

L’observation est possible quand le soleil brille dans une partie du ciel pendant que du coté opposé se trouve les gouttelettes d’eau d’un nuage ou une averse qui tombe. Pour voir l’arc-en ciel il faut tourner le dos au soleil et regarder vers le nuage. Les couleurs rencontrées de l’intérieur vers l’extérieur de l’arc sont : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge.

JPEGL’arc -en-ciel ne peut être observé correctement que si la direction des rayons du soleil arrivant vers l’arc et la ligne de vision de l’observateur forment un angle de 40° à 42°.
Si le soleil est bas sur l’horizon l’arc peut avoir la forme d’un demi cercle. Plus le soleil est haut plus l’arc s’aplatit. Au dessus d’une certaine hauteur il n’y a plus d’arc possible. C’est pourquoi l’observation ne peut se faire qu’en début de matinée ou fin de soirée.

Parfois on peut observer au dessus de l’arc primaire précédemment décrit, un second arc dont les couleurs sont inversées. Cet arc est souvent plus pâle.
Il est également fréquent d’observer un arc-en-ciel avec un tuyau d’arrosage lorsque dos au soleil on projette un jet formé de fines gouttelettes (diamètre de l’ordre du mm). Dans ce cas l’arc forme un cercle complet centré sur l’ombre de la tête de l’observateur.

JPEGInterprétation :

Lorsque la lumière du soleil pénètre dans une goutte de pluie, elle est réfractée ; de plus la lumière est dispersée comme dans le cas d’un prisme. Les calculs montre que le rayon émergent forme avec le rayon incident un angle de 42° pour le rouge, cet angle vaut 40° dans le cas du violet. Cet angle dépend peu de la valeur de l’angle d’incidence. (variation inférieure à 2° pour 50°<i< 70°)

JPEGLa présence d’un deuxième arc inversé et atténué peut s’expliquer par une double réflexion totale au lieu d’une seule à l’intérieur de la goutte d’eau.

L’arc-en-ciel est un phénomène purement subjectif : il se déplace avec la personne qui l’observe. L’arc formerait un cercle complet si le sol ne venait l’interrompre ; ce cercle est la base d’un cône ayant pour sommet l’œil de l’observateur et un demi-angle au sommet d’environ 42°. L’aspect de l’arc dépend aussi de la taille des gouttes d’eau qui lui donne naissance.

Documents joints