Réflexion de la lumière: éléments, lois, applications et expériences
La réflexion de la lumière est le phénomène optique par lequel un rayon de lumière change de direction et est réfléchi lorsqu'il frappe la surface de séparation de deux supports sans pouvoir la traverser.
C'est un phénomène fondamental qui se produit dans la nature et qui a commencé à être étudié dans la Grèce classique. Cependant, les lois qui régissent la réflexion de la lumière ne sont énoncées qu'au dix-septième siècle. C'est le scientifique néerlandais W. Snell qui a défini les lois de la réflexion et de la réfraction. De cette façon, ces lois ont reçu le nom de lois de Snell.
La réflexion elle-même est un phénomène général qui affecte toutes les ondes, bien que le cas de la lumière soit le plus représentatif. Chaque fois que la lumière frappe un corps, une réflexion se produit. Selon les couleurs du spectre absorbées et réfléchies par le corps, nous voyons le corps d’une couleur ou d’une autre.
La réflexion est également présente au quotidien dans des domaines tels que la formation d’images dans des miroirs. Ces images peuvent être expliquées à partir des lois de la réflexion. On peut également le voir dans les images réfléchies à la surface de l’eau, bien qu’il y ait également dans ce cas le phénomène de réfraction.
Éléments
Lors de l'étude de la réflexion de la lumière, il convient de prendre en compte les éléments suivants: la lumière, les deux supports, la surface de séparation des supports, le rayon incident, le faisceau réfléchi et la normale à la surface de séparation .
En physique, le terme lumière englobe tout le champ de rayonnement inclus dans le spectre électromagnétique, laissant l'expression lumière visible à la partie du spectre perçue par l'œil humain.
Dans la réflexion, nous devons distinguer deux médias. Le premier est le moyen par lequel l'onde se déplace. La seconde ne l’atteint pas ou par elle, la réfraction de l’onde se produit. Entre les deux moyens est ce qu'on appelle la séparation des médias.
La normale est une ligne perpendiculaire au plan de séparation des supports. Le faisceau incident est appelé faisceau lumineux, qui atteint la surface de séparation à travers le premier milieu. D'autre part, le faisceau réfléchi est celui qui est réfléchi après avoir frappé le rayon incident avec cette surface.
Lois de la réflexion
Euclide fut le premier à publier certaines lois de la réflexion au troisième siècle avant JC, mais il est certain qu’en 1621, avec l’astronome et mathématicien hollandais Willebrord Snell van Royen, les lois actuelles de la réflexion et de la réfraction furent établies. .
Ensuite, les deux lois de la réflexion sont exposées.
Première loi
La première loi est résumée dans l'énoncé suivant: le rayon incident, la normale (ou perpendiculairement au plan) et le rayon réfléchi sont dans le même plan d'espace.
Deuxième loi
La deuxième loi de réflexion indique que l'angle de réflexion est exactement le même que l'angle d'incidence.
Principe de Fermat
Les lois de réflexion précédentes ainsi que les lois de réfraction peuvent être déduites du principe de Fermat. Ce principe affirme que la trajectoire qui suit un rayon de lumière entre deux endroits de l’espace utilise toujours le moins de temps possible.
Réflexion interne totale de la lumière
La réflexion interne totale de la lumière se produit lorsque la lumière rencontre un milieu d'indice de réfraction inférieur à n 2 inférieur au milieu dans lequel elle se trouve, n 1 . Dans ce cas, la lumière ne peut pas traverser la surface de séparation des deux supports et est totalement réfléchie.
Bien entendu, cela ne se produit que pour des angles d'incidence supérieurs à ceux de l'angle dit critique.
La réflexion interne totale est la cause des éclairs observables dans un diamant taillé.
Types de réflexion
La réflexion peut être de plusieurs types: spéculaire, diffuse ou mixte. Qu'un type de réflexion ou un autre se produise dépendra principalement du type de surface qui se trouve sur son chemin.
Réflexion spéculaire
Lorsque la lumière frappe une surface polie et lisse, une réflexion spéculaire a lieu.
Réflexion diffuse
Cependant, lorsque la lumière frappe une surface non polie, une réflexion se produit dans toutes les directions de l'espace. On dit alors qu'il y a eu une réflexion diffuse.
Réflexion mixte
Comme son nom l'indique, une réflexion mixte se produit lorsqu'il y a une combinaison des deux précédents.
Les applications
Le reflet de la lumière a différentes applications. Ainsi, par exemple, le phénomène de réflexion totale est utilisé dans ce que l’on appelle le prisme de Porro, utilisé dans la fabrication de jumelles.
La réflexion totale est également utilisée pour la propagation de la lumière dans les câbles à fibres optiques. Ainsi, si chez vous vous avez une connexion Internet par fibre optique, sachez qu’une partie de la responsabilité que vous aimez est due au reflet total de la lumière.
Rétroréflexion
La rétroréflexion est une application de la réflexion de la lumière consistant à renvoyer la lumière à la source ou à la source, quel que soit son angle d'incidence. Pour ce faire, des surfaces réfléchissantes plates sont utilisées.
Une application spécifique de la rétroréflexion est donnée dans les feux de circulation. Cela permet à la lumière des phares d'être réfléchie directement dans la direction d'origine. Ainsi, le signal est amélioré afin que le conducteur reçoive l'avertissement de danger.
Expérience
Le phénomène de la réflexion de la lumière peut être vérifié à l'aide d'expériences simples faites à la maison, comme celle que nous vous proposons ensuite. Vous pouvez le faire à la maison sans aucun risque et vérifier que la physique est à portée de main.
Expérience de réflexion interne totale de la lumière
Pour réaliser cette expérience, seuls un verre, de l'eau, du lait et un pointeur laser sont nécessaires.
Remplissez d’abord le verre avec de l’eau, puis ajoutez quelques gouttes de lait. Une fois que cela est fait, pointez le pointeur laser sur le bateau en dessous du niveau de l'eau. De cette façon, le faisceau lumineux de l'aiguille traversera l'eau et sera réfléchi sur la surface de séparation de l'eau avec l'air.
De plus, grâce aux gouttes de lait dissoutes dans l'eau, il est possible de suivre le trajet complet de l'onde lumineuse et d'observer parfaitement le rayon incident et le faisceau réfléchi. Dans tous les cas, l’idéal est de réaliser l’expérience dans une pièce peu éclairée pour mieux apprécier le dessin de l’onde réfléchie.
Les causes
Comme nous l'avons expliqué précédemment, ce phénomène ne se produit que lorsque la lumière passe d'un milieu d'indice de réfraction supérieur à un milieu d'indice inférieur. De la même manière, pour que cela se produise, la lumière doit influencer la séparation des supports avec un angle supérieur à l'angle dit critique.
conclusion
La réflexion de la lumière est un phénomène naturel qui nous accompagne quotidiennement dans nos vies. Il en est ainsi, à un tel point, que nous percevons les couleurs grâce à elle. Il existe déjà des preuves de son étude dans la Grèce classique, bien que ce ne fût pas avant le dix-septième siècle avec Snell qu’ils aient commencé à définir les règles qui la régissent.
Actuellement, ses applications sont nombreuses et variées. Certains, vous ne les auriez sûrement pas imaginés, et ils interviennent dans des processus inattendus tels que la transmission d'informations par le biais de câbles à fibres optiques.
La physique est non seulement dans tout ce qui nous entoure, mais la lumière nous accompagne également de manière inséparable dans notre découverte de la réalité. Pas en vain, c'est grâce à elle que nous percevons le monde qui nous entoure.
