Mise en évidence expérimentale

Expériences :

Si nous plaçons une latte rigide dans un aquarium rempli d'eau et si nous regardons la latte par au-dessus, nous avons l'impression qu'elle est brisée. Sortons la de l'eau, elle est intacte. 
Pourquoi la latte semblait-elle brisée lorsqu'elle était dans l'eau ? 

 

Versons dans une cuve transparente de l'eau. Utilisons une source lumineuse (torche par exemple) et envoyons un faisceau cylindrique sur la surface libre du liquide.

      

Nous constatons deux choses :

1. une petite partie de la lumière est réfléchie : c'est le phénomène de réflexion partielle.
    
2. une majeure partie du faisceau pénètre dans l'eau avec un changement de direction; le faisceau semble brisé

 

C'est la même chose qui se passe lorsque des rayons solaires arrivent à la surface de l'eau. 

Ce phénomène par lequel la lumière change de direction lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre, s'appelle laréfraction

.

La réfraction est la déviation des rayons lumineux passant obliquement d'un milieu transparent dans un autre.

 

 Etude du phénomène

La réfraction apparaît lorsque la direction de propagation d’une onde change lorsqu’elle traverse une surface de séparation entre 2 milieux transparents caractérisés par leur indice de réfraction n.

La déviation s'opère juste en un point que l'on appelle point d'incidence. Ce point appartient à la surface qui sépare les deux milieux. Une telle surface est nommée dioptre. La normale est la droite perpendiculaire au dioptre au point d'incidence.

1. Le rayon incident est le rayon avant réfraction
2. Le rayon réfracté est le rayon dévié

Comme pour la réflexion, nous définirons des angles :

1. î = angle d'incidence = angle formé par le rayon incident et la normale
2. ^r = angle de réfraction = angle formé par le rayon réfracté et la normale

Dans le cas ci-dessus, nous constatons que l'angle de réfraction est plus petit que l'angle d'incidence (r < i). Dans ce cas, on dit que le second milieu est plus réfringent que le premier milieu traversé, et inversément : si r > i, alors le deuxième milieu est moins réfringent que le premier.
L'eau et le verre sont plus réfringents que l'air, et l'eau est moins réfringente que le verre.

Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu A vers un milieu B plus réfringent, il se rapproche de la normale. Si le milieu B est moins réfringent, il s'écarte de la normale.

 Les lois de la refraction (lois de SNELL - DESCARTES)

Première lois

Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans un même plan

Deuxième lois

Utilisons maintenant le disque optique avec un demi cercle en verre.
Envoyons un rayon lumineux sur la surface plane (le rayon est envoyé sur le point milieu de cette face). 

Grâce au disque optique, nous pouvons mesurer les angles d'incidence et de réfraction.
Mesurons différents î et r et complétons le tableau ci-dessous !

î	r	sin ( î )	sin ( r )	sin ( î ) / sin ( r )
10°	6.5°	0.17365	0.11350	1.53
20°	12.5°	0.34202	0.21644	1.58
30°	19°	0.50000	0.32557	1.54
40°	25°	0.64279	0.42262	1.52
50°	30°	0.76604	0.50000	1.53
60°	34.5°	0.86603	0.56641	1.53
70°	37.9°	0.93969	0.61417	1.53
80°	40°	0.98480	0.64366	1.53

Conclusion:

Quand on fait varier l'angle d'incidence, il existe un rapport constant entre les sinus des angles d'incidence et de réfraction.

 

sin ( î ) / sin ( r ) = une constante qui est appelée indice de réfraction du second milieu par rapport au premier. On le symbolise par n.

n = n2 / n1 

n1 et n2 étant les indices des milieux par rapport au vide.
Ils ont été déterminés en comparant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré et la vitesse de la lumière dans le vide (pour rappel : 300000 km/s). 
 

• n = c / v 
  • avec c = 300000km/s et v = vitesse lumière dans le milieu.

 

Exemples : 
n_air = 1.0003

n_eau = 1.33 = 4/3

n_diamant = 2.42

n_{verre (quartz fondu)} = 1.46

n_plexiglas = 1.51

FORMULE :

n1 sin ( î ) = n2 sin ( r )

 

Ceci nous montre également que si l'angle d'incidence est nul (rayon perpendiculaire au dioptre), l'angle de réfraction sera nul.

Dans ce cas, le rayon traverse les deux milieux sans être dévié.

 Le phénomène de réflexion totale

Ce phénomène existe lorsque la réfraction atteint ses limites et n’est plus possible (ceci est visible quand l’indice de réfraction du milieu initial n₁ est > à l’indice de réfraction du second milieu n₂ ).

Si on continue d’augmenter l’angle d’incidence c'est-à-dire si θ devient supérieur à θ₂ alors il y a réflexion totale : L’angle d’incidence devient égal à l’angle réfléchi. (rayon vert).
 

 Applications

Le domaine médical : la fibroscopie

Le phénomène de réflexion totale est mis à profit dans les fibres optiques pour guider la lumière ; ces fibres optiques sont des tuyaux de verre ou de plastique transparents très fins et souples qui peuvent se courber. Lorsque la lumière pénètre dans une fibre optique, elle ne peut en sortir que par l’autre bout après une suite de réflexions totales sur les faces de la fibre.
Ce procédé est utilisé dans les télécommunications pour transmettre des informations et dans le domaine médical.

La fibre optique

La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne). L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l'une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu'à l'autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag.

         

 

L'essentiel

Lorsque la lumière traverse une surface de séparation de deux milieux transparents, il y a réfraction. La réfraction est régie par les lois de Snell-Descartes.
Lorsque, dans certains cas la réfraction n’est plus possible, alors il y a réflexion totale. Cette propriété est largement utilisée dans les fibres optiques pour les télécommunications, et en fibroscopie dans le domaine médical.

---

2016-07-21 08:22:33