RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE: ÉLÉMENTS, LOIS ET EXPÉRIENCE - PHYSIQUE - 2025

La réfraction de la lumière est le phénomène optique qui se produit lorsque la lumière est incidente obliquement sur la surface de séparation de deux milieux avec un indice de réfraction différent. Lorsque cela se produit, la lumière change de direction et de vitesse.

La réfraction se produit, par exemple, lorsque la lumière passe de l'air à l'eau, car celle-ci a un indice de réfraction inférieur. C'est un phénomène qui peut être parfaitement apprécié dans la piscine, en observant comment les formes du corps sous l'eau semblent s'écarter de la direction qu'elles devraient avoir.

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C'est un phénomène qui affecte différents types d'ondes, même si le cas de la lumière est le plus représentatif et celui qui est le plus présent dans notre vie de tous les jours.

L'explication de la réfraction de la lumière a été proposée par le physicien néerlandais Willebrord Snell van Royen, qui a établi une loi pour l'expliquer, connue sous le nom de loi de Snell.

Un autre scientifique qui a accordé une attention particulière à la réfraction de la lumière était Isaac Newton. Pour l'étudier, il a créé le célèbre prisme de verre. Dans le prisme, la lumière le pénètre par l'une de ses faces, se réfractant et se décomposant en différentes couleurs. De cette manière, à travers le phénomène de réfraction de la lumière, il a prouvé que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

Éléments de réfraction

Les principaux éléments à considérer dans l'étude de la réfraction de la lumière sont les suivants: -Le rayon incident, qui est le rayon qui tombe obliquement sur la surface de séparation des deux milieux physiques. -Le rayon réfracté, qui est le rayon qui traverse le milieu, en modifiant sa direction et sa vitesse. -La ligne normale, qui est la ligne imaginaire perpendiculaire à la surface de séparation des deux supports. -L'angle d'incidence (i), qui est défini comme l'angle formé par le rayon incident avec la normale. -L'angle de réfraction (r), qui est défini comme l'angle formé par la normale avec le rayon réfracté.

-En outre, il faut également tenir compte de l'indice de réfraction (n) d'un milieu, qui est le quotient de la vitesse de la lumière dans le vide et de la vitesse de la lumière dans le milieu.

n = c / v

A cet égard, il faut se rappeler que la vitesse de la lumière dans le vide prend la valeur de 300 000 000 m / s.

Indice de réfraction de la lumière dans différents milieux

Les indices de réfraction de la lumière dans certains des milieux les plus courants sont:

Lois de la réfraction

La loi de Snell est souvent appelée la loi de la réfraction, mais la vérité est que l'on peut dire qu'il existe deux lois de la réfraction.

Première loi de réfraction

Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans le même plan de l'espace. Dans cette loi, également déduite par Snell, la réflexion s'applique également.

Deuxième loi de réfraction

La seconde, la loi de la réfraction ou loi de Snell, est déterminée par l'expression suivante:

n ₁ sin i = n ₂ sin r

Où n _{1 est} l'indice de réfraction du milieu d'où provient la lumière; i l'angle d'incidence; n ₂ l'indice de réfraction du milieu dans lequel la lumière est réfractée; r est l'angle de réfraction.

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Principe de Fermat

Du principe du temps minimum ou du principe de Fermat, on peut déduire à la fois les lois de la réflexion et les lois de la réfraction, que nous venons de voir.

Ce principe stipule que le chemin réel suivi par un rayon de lumière qui se déplace entre deux points dans l'espace est celui qui nécessite le moins de temps pour se déplacer.

Conséquences de la loi de Snell

Certaines des conséquences directes qui sont déduites de l'expression précédente sont:

a) Si n ₂ > n ₁; sin r <sin io soit r <i

Ainsi, lorsqu'un rayon de lumière passe d'un milieu avec un indice de réfraction inférieur à un autre avec un indice de réfraction plus élevé, le rayon réfracté se rapproche de la normale.

b) Si n2 <n ₁; sin r> sin io soit r> i

Ainsi, lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu avec un indice de réfraction plus élevé à un autre avec un indice plus faible, le rayon réfracté s'éloigne de la normale.

c) Si l'angle d'incidence est nul, alors l'angle du rayon de réfraction est nul.

Angle limite et réflexion interne totale

Une autre conséquence importante de la loi de Snell est ce que l'on appelle l'angle limite. C'est le nom donné à l'angle d'incidence qui correspond à un angle de réfraction de 90º.

Lorsque cela se produit, le rayon réfracté se déplace au ras de la surface de séparation des deux milieux. Cet angle est également appelé angle critique.

Pour les angles supérieurs à l'angle limite, le phénomène appelé réflexion interne totale se produit. Lorsque cela se produit, aucune réfraction ne se produit, car tout le faisceau de lumière est réfléchi en interne. La réflexion interne totale se produit uniquement lors du passage d'un milieu avec un indice de réfraction plus élevé à un milieu avec un indice de réfraction inférieur.

Une application de la réflexion interne totale est la conduction de la lumière à travers la fibre optique sans perte d'énergie. Grâce à lui, nous pouvons profiter des vitesses de transfert de données élevées offertes par les réseaux de fibre optique.

Expériences

Une expérience très basique pour pouvoir observer le phénomène de réfraction consiste à introduire un crayon ou un stylo dans un verre rempli d'eau. En raison de la réfraction de la lumière, la partie immergée du crayon ou du stylo apparaît légèrement cassée ou déviée de la trajectoire que l'on s'attendrait à ce qu'elle ait.

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Vous pouvez également essayer une expérience similaire avec un pointeur laser. Bien entendu, il faut verser quelques gouttes de lait dans le verre d'eau pour améliorer la visibilité de la lumière laser. Dans ce cas, il est recommandé que l'expérience soit réalisée dans des conditions de faible luminosité pour mieux apprécier le trajet du faisceau lumineux.

Dans les deux cas, il est intéressant d'essayer différents angles d'incidence et d'observer comment l'angle de réfraction varie à mesure qu'ils changent.

Les causes

Les causes de cet effet optique doivent être trouvées dans la réfraction de la lumière qui fait apparaître l'image du crayon (ou le faisceau de lumière du laser) déviée sous l'eau par rapport à l'image que l'on voit dans l'air.

La réfraction de la lumière au quotidien

La réfraction de la lumière peut être observée dans de nombreuses situations de notre quotidien. Certains que nous avons déjà nommés, d'autres nous commenterons ci-dessous.

Une conséquence de la réfraction est que les piscines semblent être moins profondes qu'elles ne le sont réellement.

Un autre effet de la réfraction est l'arc-en-ciel qui se produit parce que la lumière est réfractée en passant à travers les gouttelettes d'eau présentes dans l'atmosphère. C'est le même phénomène qui se produit lorsqu'un faisceau de lumière passe à travers un prisme.

Une autre conséquence de la réfraction de la lumière est que nous observons le coucher du soleil lorsque plusieurs minutes se sont écoulées depuis qu'il s'est réellement produit.

Références

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7. Crawford jr., Frank S. (1968). Waves (Cours de physique de Berkeley, vol. 3), McGraw-Hill.