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Propagation et déviation de la lumière

Par Yann le 05/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Optique > Réflexion et Réfraction de la Lumière

Définition de la réfraction de la lumière

Lorsque la lumière atteint un nouveau milieu une partie de cette dernière s’y propage mais en subissant une déviation. Ce phénomène correspond à une réfraction.

Définitions complémentaires

Rayon incident : il s’agit du rayon de lumière se propageant dans le premier milieu
Rayon réfracté : 
il s’agit du rayon de lumière se propageant dans le deuxième milieu et qui a donc subit une réfraction
Normale :
c’est la droite perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux.
Angle d’incidence i : 
angle entre le rayon incident et la normale.
Angle de réfraction r : 
angle entre le rayon réfracté et la normale.

refraction d'un rayon de lumière

La déviation subit par le rayon lumineux, en changeant de milieu, dépend de la différence d’indice de réfraction entre les deux milieux : plus cette différence est grande et plus la déviation est importante.

Par ailleurs si n1<n2 (on dit que le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1) alors le rayon réfracté se rapproche de la normale, tandis que si n1>n2 (le milieu 1 est plus réfringent que le milieu 2) il s’en rapproche.

Application pratique de la réfraction de la lumière

L’appareil à « dextro », appelée aussi appareil à contrôle glycémique permet de mesurer le taux de glucose dans le sang (glycémie).

Ce dispositif permet ainsi aux personnes souffrant de diabète de pouvoir surveiller leur glycémie. Le principe de l’appareil est simple : à partir d’une goutte de sang, l’appareil donne la valeur de la glycémie.

Mais comment cet appareil fonctionne-t-il ?

En 1970, La société Bayer lance le premier lecteur de glycémie portable : le réflectomètre.

L’appareil mesure la lumière réfléchie par la surface d’une bandelette colorée par une cellule photoélectrique. De nos jours, les glucomètres utilisent des méthodes électrochimiques pour détecter le taux de sucre dans le sang.

La réflexion de la lumière

Les rayons lumineux se propagent en ligne droite dans les milieux transparents. Mais ils peuvent changer de direction dans deux cas.

Quand ces rayons atteignent un milieu réfléchissant les rayons changent de direction : c’est la réflexion.

Si les rayons passent d’un milieu à un autre, les rayons changent également de direction : on parle de réfraction.

Définition de la réflexion de la lumière

Lorsque la lumière atteint un nouveau milieu une partie est réfractée tandis que l’autre partie est renvoyée dans le premier milieu: on dit que cette lumière subit une réflexion.

Ainsi la réflexion de la lumière peut se produire à la surface d’une vitre en verre, à la surface d’un miroir ou encore à la surface de l’eau.

Attention, il ne faut pas confondre la réflexion et la diffusion. Dans la diffusion, les rayons lumineux sont diffusés dans toutes les directions alors que dans la réflexion, les rayons lumineux sont renvoyés dans une seule direction.

Principe de la réflexion de la lumière

Quand un faisceau lumineux arrive au niveau d’une surface réfléchissante, le faisceau est réfléchit selon un angle bien précis. On appelle généralement I le point d’incidence du rayon lumineux, c’est-à-dire le point ou le faisceau lumineux arrive sur une surface polie.

La droite perpendiculaire au point d’incidence est appelée normale ou normale au point d’incidence : on calcule les angles à partir de cette droite.

Quand un rayon lumineux incident arrive au niveau du point I, il possède un angle appelé θ1 (se prononce téta 1). Le rayon réfléchit, quand à lui, repart avec un angle équivalent à θ2.

Les lois de Descartes précisent alors deux caractéristiques majeures de la réflexion :

  1. Le rayon réfléchit appartient au plan d’incidence
  2. L’angle de réflexion (θ1) est égal à l’angle réfléchit (θ2)

Note (L’exemple ci après donne une vue pour la réflexion avec angle i1 pour l’onde incidente)

Comment la lumière se réfléchit-elle ? Schéma de la réflexion

 

 

Exemple concret de réflexion : le miroir

Comment fonctionne un miroir ?

Le miroir est un objet suffisamment poli pour réfléchir la lumière. Un miroir est constitué d’une couche de métal poli qui peut être de l’aluminium ou de l’argent et qui est recouvert de verre.

Autrefois l’argent était beaucoup utilisé mais il s’oxydait vite (cela explique que les miroirs anciens ont tendance à développer des taches noires) donc on utilise de nos jours préférentiellement de l’aluminium.

Cette couche est appliquée sur ce que l’on appelle le tain, qui est une couche de plomb ou de cuivre.

Le schéma ci-dessous explique le principe de fonctionnement du miroir plan :

Comment fonctionne un miroir plan ? Miroir plan

  • Soit un rayon lumineux incident AM. Ce rayon arrive au niveau de la surface du miroir au point M avec un angle et selon les lois de la réflexion repart, avec le même angle.
  • Ainsi MO est le rayon réfléchit. La direction MO est symétrique de celle AM par rapport à la droite normale n.
  • Un observateur placé devant le miroir en O aura l’impression que le rayon OM qui arrive au niveau de son œil est issu de A’.
  • Le point A’ d’où semble provenir les rayons de A est l’image de A dans le miroir.

Cela explique que l’image dans un miroir est droite, de même taille et surtout symétrique.  Elle est indépendante de la position de l’observateur.

Et le miroir sans tain qu’est ce que c’est ?

Le miroir sans tain est très souvent utilisé comme ressort scénaristique dans les films policiers. Il s’agit d’un miroir ou l’on peut voir à travers d’un coté mais pas de l’autre.

En effet, le tain n’est pas constitué d’une pellicule métallique opaque comme dans les miroirs classiques mais d’un matériau semi opaque. Généralement, la salle d’interrogatoire est très éclairée, le suspect ne peut voir que son image grâce au principe de réflexion.

Par contre, les enquêteurs, eux se trouvent dans une pièce obscure ainsi ils peuvent voir à travers la substance semi opaque sans être vus.

Le saviez-vous ?  Une autre application du miroir sans tain très utilisée et pourtant méconnue est le principe du prompteur sur les plateaux de télévision. La caméra (1) filme le présentateur à travers un miroir sans tain (2). Le texte est projeté en dessous sur le schéma (3) et se reflète sur le miroir sans tain orienté à 45° (4). Le présentateur peut donc lire le texte en fixant l’objectif sans que le téléspectateur se doute du stratagème.

Autre exemple d’application : la fibroscopie médicale

La fibroscopie est une technique beaucoup utilisée dans le domaine médical.

Cette technique prend alors le nom d’endoscopie. L’examen d’endoscopie permet de visualiser les cavités, les organes et les conduits du corps humain à l’aide d’un endoscope ou fibroscope.

Le premier endoscope a été inventé en 1852 par Antoine Jean Desormaux. Ce premier dispositif a ensuite été amélioré avec l’invention du premier tube semi-flexible dans la première moitié du XXeme siècle.

Dans les années 80 on a adjoint à cette techniques des dispositifs de caméras qui ont permis de développer la chirurgie endoscopique. Les endoscopes sont introduits par les voies naturelles. L’endoscopie peut être à visée thérapeutique ou diagnostique.

On peut citer parmi les examens les plus répandus :  l’endoscopie via une petite incision dans l’abdomen qui se nomme la cœlioscopie, l’endoscopie via le rectum appelée coloscopie, l’endoscopie pour visualiser les voies urinaires et la vessie qui se nomme cystoscopie et enfin l’endoscopie qui permet de visualiser les articulations est appelée arthroscopie.

La réflexion totale de la lumière

Dans le cas où la lumière passe dans un milieu moins réfringent, elle s’éloigne de la normale. Au delà d’une certaine limite de l’angle d’incidence la réfraction n’est alors plus possible et la lumière est entièrement réfléchie.

Le phénomène de réflexion totale est en particulier mis à profit dans les fibres optiques où la lumière entre avec un angle d’incidence trop important pour subir une réfraction et se réfléchit entièrement.

  • Quid de la réverbération ?

Quand on se trouve au bord de la mer ou en montagne, si on regarde la neige ou la surface de l’eau on est vite éblouit et les lunettes de soleil deviennent indispensables.

Mais pourquoi ?

Les rayons lumineux émis par le soleil peuvent être absorbés, réfractés ou réfléchis par les différentes surfaces qu’ils rencontrent.

La mer tout comme par exemple la neige ou le sable se comportent un peu comme des miroirs : ils peuvent réfléchir une partie des rayons lumineux. La mer, qui est en mouvement réfléchit généralement environ 10% des rayons lumineux alors que la neige en réfléchit presque 80% ! C’est pour cela qu’il est très important de protéger ses yeux avec des lunettes de soleil adaptées pour éviter que la rétine soit exposée à des lumières trop fortes.

Le tableau ci-après donne les pourcentages de réverbération pour différentes surfaces :

Eau douce2 à 4 %
Surface de la mer10 %
Sable20 - 30 %
Glace50 - 60%
Neige75 - 90 %

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TessyMaxi
Invité

Je veux avoir plus d’information sur la reflexion de la lumiere et des images.

Kourouma
Invité

C’est excellent, bien détaillé…

physique
Invité

c’est un excellent contenu j’apprécie.