La réfraction des rayons lumineux sur une surface plane
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.
- Si la lumière passe d'un milieu à faible densité optique à un milieu à haute densité optique, la lumière s'incline vers la ligne normale.
- Si la lumière passe d'un milieu à haute densité optique à un milieu à faible densité optique, la lumière s'éloigne de la ligne normale.
- Lorsque la lumière passe perpendiculairement à la frontière, elle ne se courbe pas.
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.
- Les vagues se déplacent plus rapidement dans les eaux plus profondes. À l'approche de la terre, la vague sera déplacée dans une direction perpendiculaire au rivage.
- L'arc-en-ciel est un phénomène de réfraction de la lumière lorsqu'elle passe à travers des gouttes de pluie, qui provoquent la courbure des différentes longueurs d'onde de la lumière. L'intensité de la courbure de chacune des couleurs dépend de leur longueur d'onde.
La vitesse et la longueur d'onde changent lors de la réfraction, mais la fréquence de l'onde reste constante.
La réflexion des rayons lumineux sur une surface plane
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.
Qu'est-ce que l'indice de réfraction ?
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 sur une surface plane
La loi de la réfraction est la loi qui explique la réfraction à une surface plane.
Loi et formule de Snell
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).
Qu'est-ce que la réflexion interne totale ?
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 :
- L'angle d'incidence doit être supérieur à l'angle critique.
- L'indice de réfraction n1 doit être supérieur à l'indice de réfraction n2.
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.
Réfraction sur une surface plane - Principaux enseignements
- La réfraction est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre en raison de son changement de vitesse.
- La lumière est réfléchie ou diffusée dans une direction différente lorsqu'elle interagit avec une surface.
- L'angle de diffraction dépend des densités des deux milieux traversés par les rayons lumineux.
- La réflexion interne totale se produit lorsque l'angle incident est supérieur à l'angle critique et que l'indice de réfraction du milieu incident est supérieur à l'indice de réfraction du second milieu.
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