Chapitres
L'indice de réfraction du milieu
Dans tout matériau transparent (comme l’air ou l’eau), la vitesse v de propagation de l’onde lumineuse est toujours inférieure à la vitesse de propagation c de la lumière dans le vide. Cette caractéristique du milieu est quantifiée par l'indice de réfraction n.
L’indice n est un nombre sans unité, toujours supérieur ou égal à 1, défini par le rapport : n = c / v
Un milieu est dit plus réfringent qu'un autre lorsque son indice de réfraction est plus élevé. Par exemple, l'eau et le verre sont plus réfringents que l'air, et le verre est plus réfringent que l'eau.
| Milieu | Indice n du milieu | % vitesse de propagation par rapport à c |
|---|---|---|
| Vide | 1.00000 | 100% |
| Air | 1.00029 | 99.97% |
| Eau | 1.33 | 75% |
| Verre | 1.5 à 1.7 | 59% à 67% |
| Diamant | 2.42 | 41% |
Vocabulaire de la réfraction et de la réflexion
Le principe de la réflexion totale permet par exemple de guider la lumière dans un conduit d’indice supérieur à celui du milieu environnant.
Le point de rencontre du rayon lumineux avec la surface de séparation entre deux milieux est appelé point d'incidence. Cette surface de séparation elle-même est nommée le dioptre. La normale est la droite perpendiculaire au dioptre au point d'incidence.
- Le rayon incident est le rayon avant d'atteindre le dioptre, formant l'angle d'incidence (i) avec la normale.
- Le rayon réfracté est le rayon dévié dans le nouveau milieu, formant l'angle de réfraction (r) avec la normale.
- Le rayon réfléchi est le rayon renvoyé dans le milieu d'origine, formant l'angle de réflexion (i') avec la normale.
Les trois lois de Snell-Descartes
Les lois de Snell-Descartes régissent les phénomènes de réflexion et de réfraction et découlent du principe de Fermat (la lumière prend le chemin le plus rapide).
Première loi (Loi du plan d'incidence)
Le rayon réfracté (ainsi que le rayon réfléchi) appartient au plan d'incidence, qui est le plan défini par la normale au dioptre et le rayon incident.
Deuxième loi (Loi de la réflexion)
L'angle d'incidence (i) et l'angle de réflexion (i') sont égaux et opposés par rapport à la normale : i = i'
Troisième loi (Loi de la réfraction)
Les angles d'incidence (i1) et de réfraction (i2 ou ir) formés par les rayons et la normale sont liés aux indices de réfraction des milieux (n1 et n2) par la relation : n1 . sin(i1) = n2 . sin(i2)
Prévoir le sens de déviation
Le sens de la déviation dépend de la réfringence des milieux :
- Si le second milieu est plus réfringent (n2 > n1), le rayon se rapproche de la normale (r < i).
- Si le second milieu est moins réfringent (n_2 < n_1), le rayon s'éloigne de la normale (r > i).
La réflexion totale
Si le rayon passe d'un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n_1 > n_2), il existe un angle critique (i(lim)). Si l'angle d'incidence dépasse cette limite (i > i(lim)), il n'y a plus de rayon réfracté, et toute la lumière est renvoyée dans le milieu d'origine. C'est la réflexion totale, un principe utilisé pour guider la lumière dans les fibres optiques.
Dispersion et nature de la lumière
L'expérience de Newton et le prisme
Lorsqu'une lumière blanche est envoyée sur un prisme, elle est déviée et étalée en un ensemble continu de couleurs (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet). Ce phénomène est appelé la dispersion.
- L'ensemble des couleurs obtenues est le spectre de la lumière blanche. Le spectre est continu du rouge au violet.
- La lumière blanche est un mélange de plusieurs couleurs : c'est une lumière polychromatique.
- La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette par le prisme.
Lumière monochromatique et longueur d'onde
Une lumière est dite monochromatique si elle n'est constituée que d'une seule radiation (ou couleur) et ne peut pas être décomposée par un prisme (Exemple : un faisceau laser). Elle est caractérisée par sa longueur d'onde ), mesurée en mètres m ou en nanomètres nm).
L'œil humain n'est sensible qu'aux radiations dont les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm.
Le prisme et la dispersion
Lorsqu'une lumière arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions (une sur la face d'entrée, une sur la face de sortie). Le trajet de la lumière dans le prisme dépend de sa couleur, car l'indice de réfraction du milieu dépend de la longueur d'onde de la radiation.
Plus la longueur d'onde est grande (vers le rouge), plus l'indice n est faible et moins le rayon est dévié.
Plus la longueur d'onde est courte (vers le violet), plus l'indice n est élevé et plus le rayon est dévié.
Applications de la réfraction
L'arc-en-ciel
Les arcs-en-ciel se forment par un phénomène similaire à celui du prisme. La lumière du Soleil est dispersée par les gouttelettes de pluie. Les rayons subissent une première réfraction en entrant dans la goutte, une réflexion sur le fond de la goutte, puis une seconde réfraction en sortant, accentuant la séparation des couleurs.
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En effet, dans les réseaux trophiques, chaque être-vivant, qu'il soit herbivore, carnivore ou omnivore, sera dépendant des végétaux
Les mirages
Les mirages sont des illusions d’optique causées par la déviation des rayons lumineux à travers des couches d’air de températures différentes. L’indice de réfraction de l’air augmentant lorsque la température diminue, cela provoque une courbure des rayons
Un mirage chaud (air chaud près du sol) fait que les rayons venant du ciel se courbent vers le haut, donnant l'illusion d'eau sur la route.
Un mirage froid (air froid près du sol) fait que les rayons venant du sol se courbent vers le bas.
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Salut.
J’ai un soucis concernant la loi de Kepler car je n’arrive pas à faire le lien entre l’angle d’incidence et cette lois de Kepler sur la réfraction.
Merci de m’avoir accordé ce document qui m’a permis de retenir certaines notions
Je suis étudiants et je veux comprendre la physique merci mon chef scientifique
Salut je voudrais connaître toute les notion qui interviennent dans les *condition de faible incidence* svp svp svp
Salut moi je n’arrive pas à comprendre comment l’indice de réfraction peut affecté la longueur d’onde. une démonstration par formule suffira largement.
Salut, j’aimerais savoir la notion de
réflexion ou de réfraction sur les petits angles
Bonjour, avez-vous essayé de contacter l’un de nos professeurs pour recevoir une aide personnalisée ? Excellente journée ! :)