Les prismes et l’étude de la lumière

Posté par Patrice Guerin le 5 janvier 2015

Prisme 01

Un prisme est un bloc de verre d’une grande pureté taillé de telle manière qu’il puisse réfracter la lumière, la réfléchir ou la disperser. Il est généralement composé de trois faces rectangulaires assemblées en triangle, mais peut adopter des formes plus complexes suivant les besoins. Des prismes spéciaux peuvent servir à diffracter la lumière, la polariser, séparer les polarisations ou encore créer des interférences.

Prisme 02  Costumes et bijoux barbares

Dès l’antiquité, les prismes formés par de perles de verre taillés sont utilisés pour leur aspect magique et décoratif. A l’époque de la Rome Antique il est Appelés “vitrum trigonum”. SENEQUE (vers 1-65) et PLINE l’ANCIEN (23-79) mentionnent un verre ou un cristal taillé en prisme capable de transformer la lumière du soleil en “arc-en-ciel”.

Prisme 03

Il faut attendre les expériences d’Isaac NEWTON (1643-1727) au XVIIIe siècle pour comprendre la décomposition du faisceau lumineux sortant d’un prisme. « Ayant obscurci ma chambre et fait un petit trou dans les volets, pour laisser entrer une quantité convenable de rayons de soleil, je plaçai mon prisme contre ce trou, pour projeter les rayons sur une grande feuille placée à l’opposé. Ce fut très plaisant de contempler les couleurs vives et intenses ainsi produites. »

Prisme 04  Pendant longtemps on pensait que le prisme contenait des couleurs visibles seulement lorsque la lumière le traversait.

En plaçant un deuxième prisme sur le chemin de la lumière décomposée, NEWTON démontra que ces lumières colorées formaient de nouveau un faisceau de lumière blanche. C’est donc la lumière qui est composée de “couleurs cachées”, et non le prisme ! Poussant plus loin ses recherches, il plaça un diaphragme à la sortie du prisme pour isoler une seule couleur et l’envoyer vers un autre prisme. Mais la lumière ne se décomposait plus, elle était “monochromatique” dirions-nous aujourd’hui. NEWTON publia les résultats de ses recherches dans “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” en 1687 et dans “Opticks” de 1704.

Prisme 05  Planche extraite du livre Opticks de NEWTON – 1740

Pour étudier la lumière, il existe différentes sortes de prismes. Le prisme simple qui disperse la lumière selon les longueurs d’onde ; le prisme composé à vision directe qui décompose la lumière sans trop dévier les rayons permettant ainsi une observation plus facile ; et enfin le prisme à angle variable qui offre la possibilité d’une étude plus approfondie en faisant varier les angles des deux faces principales. Afin d’en faciliter l’usage avec un banc d’optique, ces prismes son généralement posés sur un pied vertical dont la hauteur est réglable avec un socle lourd pour en assurer la stabilité.

Voir : Un banc d’optique ancien fabriqué par la Maison MASSIOT

Le prisme simple

Prisme 06  Prisme 07  Polyprisme à 5 verres Duboscq-Pellin

Le prisme simple est composé d’un bloc de verre à trois facettes. Il est souvent équilatérale ou rectangulaire. Ce verre est dit dispersif parce qu’il décompose la lumière blanche en différentes lumières colorées en fonction de leurs fréquences et donc de leurs longueurs d’onde. A chaque radiation correspond un indice de réfraction différent qui permet de former ce magnifique arc-en-ciel.

Le polyprisme est constitué de plusieurs prismes d’indices différents (crown et flint) accolés les uns à côté autres. Il permet de montrer très simplement la relation entre dispersion et indice.

NB le verre crown, ou verre à vitre, a un indice faible d’environ 1,50. Le verre flint, ou cristal, a un indice élevé allant 1,5 à 2 ; il dévie de manière importante les rayons lumineux.

Le prisme composé

Prisme 08  Prisme 11  Prisme d’Amici Lemardeley Paris

Un prisme composé à vision directe, appelé prisme d’Amici*, est formé de trois prismes faits en verres différents (Crown et Flint), accolés dans le prolongement les uns aux autres. Il permet de former simplement le spectre de la lumière qui le traverse en évitant la dispersion des rayons. Il existe un prisme d’Amici à grand pouvoir dispersif, composé de cinq éléments dans une même monture.

Ce prisme est généralement monté dans un tube qui peut être installé soit dans un disque porte lentilles sur pied (comme le modèle présenté), soit à l’extrémité d’un objectif de projection.

Pour en savoir plus : cliquer ici

Le prisme à angle variable

Prisme 09  Prisme à angle variable Duboscq-Pellin

Un prisme à angle variable est composé d’une cuve étanche possédant deux faces mobiles munies de verres. Il permet de montrer la réfraction à travers les liquides, sous différents angles, la dispersion des couleurs, la réflexion totale successive des rayons différemment réfrangibles. Le meilleur liquide pour la projection des raies du spectre est un liquide dense et volatil très toxique, le sulfure de carbone. Ce prisme peut être divisé en plusieurs compartiments pour montrer en une seule fois la réfraction et la dispersion à travers différents liquides.

Pour voir une animation sur les effets d’un prisme : cliquer ici

Prisme 10

Cette expérience de “physique enfantine” permettant de décomposer la lumière est souvent citée dans les livres de Science Amusante, très en vogue au XIXe siècle. « On ferme les volets de telle sorte qu’un seul rayon de soleil pénètre dans la chambre. On le fait passer par une ouverture coupée en carré dans une feuille de carton. Le rayon traversant un verre de forme cylindrique à moitié rempli d’eau et tenu à l’inclinaison voulue, arrive perpendiculairement sur le dessus de la table et montre alors les brillantes couleurs de l’arc-en-ciel. Si l’on pratique dans le carton une seconde ouverture à quelque distance de la première et si l’on y fait passer le rayon en partie, on s’apercevra qu’il reste incolore. »

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*Giovanni Battista AMICI (1786-1863) est un astronome italien qui dirigea l’observatoire de Florence dans les années 1840/50. Son nom nous est parvenu grâce aux améliorations qu’il apporta aux miroirs utilisés dans les télescopes et à la construction de microscopes.

 

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