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Physique 534:La réfraction de la lumière
Un article de WikiÉduQuébec.
Sommaire |
[modifier] La réfraction de la lumière
[modifier] Propriété caractéristique de la matière
Une propriété caractéristique est une propriété qui, tel que vu dans le cours de sciences physiques de 4e secondaire, est propre à une certaine substance comme la couleur, la masse volumique, la chaleur massique ou encore, la vitesse que la lumière a lorsqu'elle la traverse.
En effet, la lumière a une certaine vitesse dans le vide. Les scientifique s'entendent pour dire qu'elle est d'environ 299 792 458 m/s dans le vide et lorsqu'elle passe dans une substance, elle est ralentie par cette dernière.
Nous pouvons donc dire que la capacité qu'a une substance à réfracter la lumière est une propriété caractéristique de la matière.
[modifier] Indice de réfraction
L'indice de réfraction d'une substance se calcule comme suit: 
où n représente l'indice de réfraction, c réprésente la vitesse de la lumière dans le vide et v la vitesse de la lumière dans le milieu. Plus une substance est dense, plus elle est susceptible d'avoir un plus grand indice de réfraction.
Puisque la lumière ne peut être plus rapide que lorsqu'elle est dans le vide, un indice de réfraction inférieur à 1 est impossible.
[modifier] Explication au phénomène de la réfraction
Lors du passage d'un pinceau lumineux entre deux milieux transparents, les rayons lumineux réagissent de deux façons : ils sont soit réflétés sur la surface commune aux deux milieux, soit transmis dans le second milieu.
Les rayons réflétés ne représentent cependant qu'une infime partie du pinceau lumineux. On nomme cette portion du pinceau lumineux "lumière réfléchie".
La majeure partie des rayons, ceux qui sont parvenus à traverser la surface de séparation des deux milieux, sont cependant déviés lors de leur arrivée dans le second milieu. Cette portion du pinceau lumineux se nomme "lumière réfractée". La déviation subie par ces rayons est due à un phénomène physique nommé la réfraction.
Un rayon lumineux ayant un angle d'incidence de 0º ne subira aucune déviation.
Mais pourquoi est-ce que la réfraction existe?
Pour tenter de comprendre le phénomène, on peut considérer le photon ou le rayon lumineux comme étant une automobile. Dans cet exemple, l'indice de réfraction d'un milieu sera représenté par sa résistance face au passage de l'automobile.
Voici l'explication :
L'automobile roule dans un milieu offrant peu de résistance (en gris pâle sur le schéma) à une vitesse de 50 km/h, mais elle roule dans un milieu offrant une plus grande résistance (en gris foncé sur le schéma) à une vitesse de 40 km/h. Donc, lorsqu'elle change de milieu avec un angle d'incidence autre que 0º (par rapport à la droite normale), l'un de ses côtés pénètre dans le nouveau milieu avant l'autre ce qui résulte en un changement de trajectoire! En effet, si nous prenons exemple sur le schéma de droite, le pneu avant-gauche de l'automobile est dans le milieu offrant une grande résistance et roule à 40 km/h, tandis que celui avant-droite roule encore à 50 km/h, alors l'automobile se rapprochera de la droite normale puisque le côté droit de l'automobile avance plus rapidement que le côté gauche.
Ce phénomène s'applique aussi aux photons et c'est ce qui fait qu'il y a de la réfraction!
[modifier] Loi de Snell-Descartes
La loi de Snell-Descartes est une équation mathématique qui établit la relation entre les quatres variables qui entrent en compte lors d'une réfraction. Cette loi, la voici:
-
étant l'indice de réfraction du premier milieu.
-
étant l'angle d'incidence par rapport à la droite normale du premier milieu.
-
étant l'indice de réfraction du deuxième milieu.
-
étant l'angle de réfraction par rapport à la droite normale du 2ème milieu.
[modifier] La réflexion totale interne
La réflexion totale interne (RTI) est un phénomène qui survient lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu transparent à un autre et où l'indice de réfraction du premier milieu est plus élevé que celui du second.
De plus, pour que ce phénomène ait lieu, il faut que l'angle d'incidence soit supérieur à l'angle d'incidence critique de la substance.
Ce que l'on nomme angle d'incidence critique représente l'angle d'incidence qui génère un angle de réfraction de 90 degrés. Cet angle situe la limite entre la réfraction et la réflexion totale interne. On représente l'angle d'incidence critique par le symbole θc.
Si les deux conditions sont respectées, le rayon lumineux, destiné à passer d'une substance transparente à une autre, sera plutôt réflété sur l'interface des deux substances et restera prisonnier du premier milieu.
Si l'on en connait les indices de réfraction, il est possible de calculer l'angle d'incidence critique entre deux substances, à l'aide de la loi de Snell-Descartes :
- On remplace
et 
par leur valeur numérique.
- On remplace
par 90 degrés.
Résultat :
- On n'a plus qu'à isoler la variable
et on obtient la valeur numérique de l'angle d'incidence critique.
