La réflexion et la réfraction sont des propriétés de la lumière. Les ondes électromagnétiques qui composent la lumière sont réfractées lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre en raison de leur changement de vitesse. La lumière est également réfléchie ou diffusée dans une direction différente lorsqu'elle interagit avec une surface. Examinons la réfraction plus en détail.
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Inscris-toi gratuitementQuand la lumière s'oriente-t-elle vers la normale ?
Quand la lumière s'éloigne-t-elle de la normale ?
L'angle critique entre l'air et un matériau est de 35 degrés. Trouve l'indice de réfraction.
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Équipe enseignants Réfraction à une surface plane
Sauter à un chapitre clé
Laréfraction est le changement de direction d'une onde électromagnétique lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Lorsque l'onde passe dans un milieu différent, la magnitude de sa vitesse change également et entraîne le changement de direction de l'onde.
À la frontière entre deux milieux, les rayons lumineux changent de direction selon un angle par rapport à la normale (qui est la direction normale perpendiculaire à la surface). Cet angle de diffraction dépend des densités des deux milieux traversés par les rayons lumineux.
Les scénarios ci-dessus sont illustrés dans la figure 1. À gauche, tu peux voir que lorsque la lumière passe par la normale, elle ne se courbe pas. Sur le côté droit, tu peux voir que lorsque la lumière passe à n'importe quel autre angle d'un matériau à haute densité optique à un matériau à faible densité optique, la lumière s'éloigne de la normale et vice versa.
La vitesse de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. Lorsque la lumière passe d'un milieu de faible densité à un milieu de forte densité, les rayons ralentissent. Cela s'explique par le fait qu'il y aura plus de molécules dans un milieu à haute densité et donc plus d'obstacles qui ralentissent la lumière. Par conséquent, la lumière se courbera vers la normale et s'éloignera de la frontière.
La vitesse et la longueur d'onde changent lors de la réfraction, mais la fréquence de l'onde reste constante.
La réflexion de la lumière est le changement de direction de la lumière lorsque l'onde lumineuse entre en contact avec une surface qui n'absorbe pas entièrement l'énergie de l'onde. Il en résulte une réflexion de la lumière, que tu peux voir sur la figure 2.
L'indice de réfraction, noté n, est une propriété d'un matériau qui mesure le ralentissement de la lumière lorsqu'elle le traverse. Nous pouvons calculer l'indice de réfraction à l'aide de l'équation suivante :
\[n = \frac{c}{c_s}\]
Ici, c est la vitesse de la lumière dans le vide, et cs est la vitesse de la lumière dans un matériau (elles sont toutes deux mesurées en m/s).
La lumière se déplace dans le vide à une vitesse constante. Cependant, elle ralentit lorsqu'elle traverse d'autres substances. Une valeur élevée de l'indice de réfraction signifie que le matériau est optiquement dense, la lumière voyage donc plus lentement à travers cette substance.
L'indice de réfraction doit toujours être supérieur à 1 car la vitesse de la lumière dans une substance quelconque ne peut pas dépasser sa vitesse dans le vide. L'indice de réfraction de l'air peut être considéré comme égal à 1 s'il n'est pas indiqué.
La loi de la réfraction est la loi qui explique la réfraction à une surface plane.
La loi de Snell stipule que l'angle du rayon de lumière réfracté et du rayon incident compose la normale de la frontière au point de réfraction.
Étant donné que l'angle de réfraction dépend du milieu à travers lequel la lumière passe, il existe une relation entre l'angle d'incidence, l'angle de réfraction et l'indice de réfraction. Cette relation est décrite par la loi de Snell ci-dessous, où n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux, θ1est l'angle d'incidence, et θ2 est l'angle de réfraction.
\[n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \cdot \sin \theta_2\]
Les angles d'incidence et de réfraction sont illustrés ci-dessous dans la figure 3.
Un rayon de lumière est dirigé sous un angle d'incidence de 45° et traverse le verre, sortant sous un angle de réfraction de 32°. Trouve l'indice de réfraction du verre.
Solution
Suppose que l'indice de réfraction de l'air est de 1. En utilisant la loi de Snell et en substituant les valeurs données, nous obtenons :
\(n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \cdot \sin \theta_2 = n_1 \cdot \frac{\sin\theta_1}{\sin \theta_2} = 1\cdot \frac{\sin(45)}{\sin(32)} = 1,334 \c).
Lorsque l'angle d'incidence augmente, l'angle de réfraction augmente. Lorsque l'angle de réfraction atteint 90°, la lumière est réfléchie le long de la frontière. Cet angle d'incidence qui provoque une réflexion interne totale est connu sous le nom d'angle critique θc, et nous pouvons le calculer à l'aide de l'équation ci-dessous, dérivée de la loi de Snell.
\[\sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1}\]
Pour qu'il y ait réflexion interne totale, deux conditions doivent être remplies :
Un faisceau lumineux passe de l'eau à l'air. Quel est l'angle critique entre l'air et l'eau si leurs indices de réfraction sont respectivement de 1,55 et 1 ?
Solution
Nous savons que l'angle de réfraction doit être de 90 degrés pour qu'il y ait une réflexion interne totale. En utilisant la loi de Snell, nous obtenons :
\(n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \cdot \sin \theta_2 \rightarrow 1.55 \cdot \sin \theta_c = 1 \cdot \sin(90) \rightarrow \sin \theta_c = \frac{1}{1.55} = 0.65 \Rightarrow \theta = 40.2^\circ\)Un miroir est un exemple de réfraction. Lorsqu'un rayon de lumière pénètre dans le verre, il est réfracté. Il atteint ensuite l'autre extrémité du miroir et est réfléchi. Le rayon réfléchi est à nouveau réfracté sur la surface extérieure et s'éloigne du miroir.
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
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Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.
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