Etude du phénomène de déviation de la lumière

Qu'est-ce que la réfraction ?

Mise en évidence du phénomène de réfraction

L'expérience de mise en évidence du phénomène de réfraction est assez simple à mettre en œuvre : il suffit de diriger un faisceau lumineux (à l'aide d'un laser par exemple) vers la surface d'un objet transparent. La photo ci-dessous représente cette expérience. Observons ce qu'il se passe.

Que se passe-t-il au cours de cette expérience ? Expérience de mise en évidence du phénomène de réfraction.

La lumière traverse l'air en suivant une certaine direction et en se propageant en ligne droite. Puis, au moment où elle entre en contact avec l'objet transparent, elle conserve une trajectoire en ligne droite, mais change brusquement de direction. Enfin, un nouveau changement de direction intervient lorsque la lumière quitte l'objet transparent pour retourner dans l'air.

Définition de la réfraction

L'expérience décrite plus haut permet alors d'aboutir à la définition de la réfraction. Lorsqu'elle se trouve dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. Lorsqu'elle change de milieu, ou bien lorsque le milieu n'est plus homogène, elle est alors déviée : c'est le phénomène de réfraction. Remarques :

  • un milieu n’est plus homogène s’il y a variation : de sa composition chimique, de sa concentration, de sa densité, de sa pression ou encore de sa température. On parle alors de milieu hétérogène.
  • la réfraction est un phénomène qui affecte la lumière mais qui peut aussi affecter toutes les autres ondes électromagnétiques et certaines ondes mécaniques)

Vocabulaire associé à la réfraction

Le schéma ci-dessous reprend l'ensemble des éléments de vocabulaire qui vont suivre. Il prend l'exemple du phénomène de réfraction à l'interface entre un milieu d'indice de réfraction n1 et un deuxième milieu d'indice de réfraction n2. L'expérience décrite plus haut a permis de mettre en évidence que la déviation a lieu en un point donné. Ce point est appelé le point d'incidence, et se trouve au niveau de la surface qui sépare les deux milieux. La surface de séparation des deux milieux est appelée dioptre, tandis qu'on désigne par la "normale" la perpendiculaire à cette surface qui passe par le point d'incidence. Le rayon incident est le rayon de lumière qui arrive vers le dioptre et n'a pas encore été dévié, alors que le rayon réfracté est, comme son nom l'indique, le rayon de lumière qui a traversé le deuxième milieu et a été réfracté.

Quelle est la signification de tous ces éléments ? Représentation schématique du phénomène de réfraction.

Lorsque la lumière arrive à la surface de séparation de deux milieux, elle se présente avec un certain angle d'incidence. Cet angle correspond à l'angle entre le rayon incident et la normale (angle en rouge sur le schéma ci-dessus). Une fois que la lumière traverse le second milieu, elle est réfractée, déviée suivant un angle de réfraction, correspondant à l'angle entre le rayon réfracté et la normale (angle en bleu sur le schéma ci-dessus).

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Phénomène de réfraction lorsque la lumière change de milieu

Le cas le plus courant de réfraction est le passage de la lumière d’un milieu homogène à un autre milieu homogène. Dans ce cas, la déviation s’opère uniquement au niveau de la séparation des deux milieux et l’angle des rayons lumineux après réfraction peut être prévu grâce à la loi de la réfraction de Snell-Descartes. Ce type de réfraction s’opère par exemple :

  • Lorsqu’on observe des objets immergés : au niveau de la transition entre l'eau et l'air, on peut alors observer un décalage entre la localisation réelle de l’objet et celle qu’on perçoit (cet effet peut être mis en évidence par l’expérience d’Archimède)

Comment peut-on décrire ce phénomène de réfraction ? Observation du phénomène de réfraction à l'interface entre deux milieux : l'eau et l'air.

  • Lorsque la lumière traverse une vitre (à la transition entre l'air et le verre puis entre le verre et l'air) elle ne voit pas sa direction modifiée suite aux deux réfractions successives qui se « compensent » mais ses rayons lumineux subissent seulement un décalage qui est négligeable pour des vitres d’épaisseur classique (voir la photo se trouvant dans le premier paragraphe "mise en évidence du phénomène de réfraction)
  • Lorsque la lumière traverse un récipient transparent contenant de l’eau, les différentes réfraction (air-paroi, paroi-eau, eau-paroi puis paroi-air) induisent de fortes déformations des objets observés.
  • Lorsque la lumière traverse une lentille (convergente ou divergente), la réfraction est mise à profit lors des transitions air-matériau transparent puis matériau transparent-air pour guider la lumière afin de la concentrer ou de modifier l’image d’un objet.

Phénomène de réfraction dans un milieu hétérogène

Dans un milieu hétérogène, milieu dont l’un des paramètres physiques ou chimiques varie graduellement, la réfraction se traduit par une déviation progressive qui courbe les rayons lumineux. Ce type de réfraction peut se produire par exemple :

  • Dans une eau dont la concentration (en sel, en sucre ou en autre soluté) varie avec la profondeur, car l’indice de réfraction varie aussi (l’indice augmente avec la concentration).
  • Dans le cas de « mirages chauds » : lorsque l’air est fortement réchauffé au contact d'un sol très chaud, il subit une diminution de son indice de réfraction (l’indice de l’air n’est par rigoureusement égal à 1). Cela peut survenir en été sur une route ou dans désert, l’air semble alors agité de tourbillons et la déviation de rayons provenant du ciel peut donner l’illusion d’observer des « flaques » lumineuses.
  • Dans le cas de « mirages froids » : lorsque l’eau de mer refroidit l’air avec lequel elle est en contact, l'air voit augmenter son indice de réfraction. Les rayons lumineux émis par des objets proches de la surface sont déviés vers le haut et peuvent donner l’illusion de voir flotter dans les airs des bateaux ou des îles !

Phénomène de réfraction de la lumière blanche

Lors d’un changement de milieu, la réfraction de la lumière dépend de l’indice de réfraction des deux milieux. Dans des milieux qualifiés de « dispersifs », cet indice de réfraction varie en fonction de la longueur d’onde. Dans ce cas, les différentes lumières colorées qui composent la lumière blanche (ou les lumières colorées de toute autre lumière polychromatique) subiront des déviations différentes et formeront un dégradé de couleurs : la lumière est dispersée (ou décomposée). C’est ce phénomène qui est à l’origine :

  • De la formation des arcs-en-ciel lorsque la lumière du Soleil est réfractée par les gouttes de pluie.
  • Des irisations observées au niveau de flaques d’huile ou de flaques d’essence.
  • Des irisations causées par une bouteille d’eau éclairée par la lumière du Soleil.
  • De la décomposition de la lumière par un prisme.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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Nguesie
Nguesie
Invité
6 Fév.

C’est vraiment top Yann mais il a des personnes qui manque de moyens.