Réfraction de la lumière: éléments, lois et expériences

La réfraction de la lumière est le phénomène optique qui se produit lorsque la lumière frappe obliquement la surface de séparation de deux supports d'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 l'eau a un indice de réfraction inférieur. C'est un phénomène qui se voit parfaitement dans la piscine, en observant comment les formes du corps sous l'eau semblent s'écarter de la direction qu'elles devraient prendre.

C'est un phénomène qui affecte différents types d'ondes, bien que le cas de la lumière soit le plus représentatif et celui qui est le plus présent au quotidien.

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 des scientifiques qui a porté une attention particulière à la réfraction de la lumière était Isaac Newton. Pour l'étudier, il créa le célèbre prisme de verre. Dans le prisme, la lumière pénètre en lui par l'un de ses visages, se réfractant et se décomposant en différentes couleurs. De cette manière, il a prouvé par le phénomène de réfraction de la lumière que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

Éléments de réfraction

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

-En outre, il faut également prendre en compte 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

À cet égard, il convient de 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

L'indice de réfraction de la lumière dans certains des moyens les plus courants est:

Lois de réfraction

On appelle souvent la loi de Snell la loi de la réfraction, mais la vérité est qu'on peut dire que les lois de la réfraction sont deux.

Première loi de la réfraction

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

Deuxième loi de la réfraction

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

n ₁ sin i = n ₂ sen r

N _{1 étant} 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 l'angle de réfraction.

Principe de Fermat

Dès le début du temps minimum ou 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 affirme que la trajectoire réelle qui suit un rayon de lumière qui se déplace entre deux points de l’espace est celle qui nécessite le moins de temps possible pour le traverser.

Conséquences de la loi de Snell

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

a) Si n ₂ > n ₁ ; sen r <sen io mer r <i

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

b) Si n 2 <n ₁ ; sen r> sin io mer r> i

Ainsi, lorsqu'un rayon de lumière passe d'un milieu d'indice supérieur à un autre d'indice inférieur, le rayon réfracté s'éloigne du rayon normal.

c) Si l'angle d'incidence est nul, l'angle du faisceau de réfraction est également 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 affleure la surface de séparation des deux supports. Cet angle s'appelle également l'angle critique.

Pour les angles au-dessus de l'angle limite, le phénomène appelé réflexion interne totale se produit. Lorsque cela se produit, la réfraction ne se produit pas car tout le faisceau de lumière est réfléchi de manière interne. La réflexion interne totale ne se produit que lorsque l'on passe d'un milieu d'indice de réfraction élevé à un milieu d'indice de réfraction inférieur.

Une des applications de la réflexion interne totale est la conduction de la lumière à travers la fibre optique sans perte d’énergie. Grâce à cela, 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 conséquence de la réfraction de la lumière, la partie du stylo ou du crayon immergé apparaît légèrement cassée ou déviée par rapport à la trajectoire qu’elle est censée avoir.

Vous pouvez également essayer de faire une expérience similaire avec un pointeur laser. Bien sûr, il est nécessaire de verser quelques gouttes de lait dans le verre d'eau pour améliorer la visibilité de la lumière laser. Dans ce cas, il est recommandé de faire l'expérience 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 la variation de l’angle de réfraction.

Les causes

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

La réfraction de la lumière au jour le jour

La réfraction de la lumière peut être observée dans de nombreuses situations de notre quotidien. Nous avons déjà nommé certains d’entre eux, d’autres que nous commenterons ci-dessous.

L'une des conséquences 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 laissant passer des gouttelettes d’eau dans l’atmosphère. C'est le même phénomène qui se produit lorsqu'un faisceau de lumière traverse un prisme.

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