Chapitre 4 Réflexion et réfraction de la lumière

4.1 Le spectre électromagnétique Les signaux radio et TV 15cm-2km Les micro-ondes 1mm-15cm Le rayonnement infrarouge 700nm-1mm La lumière visible 400nm-700nm Le rayonnement ultraviolet 10nm-400nm Les rayons X 0,01nm-10nm Les rayons gamma ? – 0,01 nm

4.1 (suite)

4.2 L’optique géométrique L’optique géométrique est une approximation qui suppose que la lumière se propage en ligne droite sous forme de rayons Un rayon est un faisceau de lumière très étroit, perpendiculaire au front d ’onde, qui nous indique la direction de propagation de la lumière. Cette approximation est valable si les dimensions d’un appareil sont très supérieures à la longueur d’onde utilisée. Selon ce modèle, la lumière ne subit aucune déviation lorsqu ’elle frôle un objet (pas de diffraction: a >>λ).

4.3 La réflexion Réflexion diffuse: dans toutes les directions. Visible dans toute les directions. Réflexion spéculaire: dans une seule direction défini par la loi de la réflexion (L’angle d’indicence = angle de réflexion, les 2 rayons + normale dans un même plan d’incidence perpendiculaire à la surface). Visible dans une seule direction. Normale Rayon incident Rayon réfléchi

4.3 Principe de Huygen appliqué à la réflexion Front d’onde réfléchi Front d’onde incident Rayon incident Rayon réfléchi Milieu 1 Milieu 2 Principe de Huygen: Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites ondes secondaires circulaires. À un instant ultérieur, la superposition des ondes secondaires forme un nouveau front d’onde. Simulations 1, 2

4.4 La réfraction Définition: Changement de direction que subit la lumière en traversant la surface de séparation entre deux milieux. Loi de la réfraction: Soit une surface séparant deux milieux différents, un rayon incident, la normale perpendiculaire à la surface et partant du point où le rayon frappe la surface, un rayon réfléchi partant de ce même point de contact et un rayon réfracté partant lui aussi de même point: Normale Rayon incident Rayon réfracté Milieu 2 Milieu1 n1 et n2 sont les indices de réfraction de chacun des milieux, et n2 > n1. L’indice de réfraction est une caractéristique de chaque milieu et est égal au rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et celle dans ce milieu (v): n = c/v. Loi de Snell-Descartes: Simulation 1

4.4 La réfraction (suite)

4.4 Principe de Huygen appliqué à la réfraction Front d’onde réfracté Front d’onde incident Rayon incident Rayon réfracté Milieu 1 Milieu 2 Simulations 1, 2

4.5 Réflexion totale interne Simulations 1, 2, 3

4.5 Réflexion totale interne (suite) Simulation 1

4.6 Le prisme et la dispersion En général, l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde. En conséquence, l’angle de réfraction varie selon la couleur, ce qui permet de à un prisme de décomposer la lumière blanche. Voir l’exemple 4.7. Simulations 1, 2, 3, 4

4.6 Le prisme et la dispersion La lumière est dispersée parce que chaque couleur (longueur d ’onde) a un indice de réfraction différent des autres couleurs.

4.7 Image formée par miroir plan Si on place un objet O devant un miroir, on observera la formation d ’une image I. En fait, à chaque point de l ’objet correspond un point de l ’image. La distance p miroir-objet est égale à la distance q miroir-image. Horizontalement, la gauche et la droite semblent interverties. Simulations 1, 2, 3, 4, 5

4.8 Les miroirs sphériques

4.8 (suite) p et q sont positifs pour des grandeurs réelles, négatifs pour des grandeurs virtuelles; f est positif pour un miroir concave (creusé), négatif pour un miroir convexe (bombé). Simulations 1, 2, …

4.8 (suite) m est le grandissement transversal; Si m est positif, l’image est droite (même sens que l’objet); Si m est négatif, l’image est renversée; Si m > 1, l ’image est agrandie; Si m < 1, l ’image est réduite.

4.8 (suite) Les rayons principaux Rayon 1: Un rayon passant par le centre de courbure du miroir donne un rayon réfléchi sur lui-même. Rayon 2: Un rayon parallèle à l ’axe optique donne un rayon réfléchi passant par le foyer. Rayon 3: Un rayon passant par le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique. Rayon 4: Un rayon tombant au centre du miroir donne un rayon réfléchi qui fait le même angle avec l ’axe optique.

4.8 (suite) Les rayons principaux Rayon 2: Un rayon parallèle à l ’axe optique donne un rayon réfléchi passant par le foyer. Rayon 3: Un rayon passant par le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique.

4.8 (suite) Les rayons principaux Objet réel à l’infini et image réelle Rayon 1: Un rayon passant par le centre de courbure du miroir donne un rayon réfléchi sur lui-même. Rayon 3: Un rayon passant par le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique.

4.8 (suite) Les rayons principaux Objet réel et image virtuelle Rayon 2: Un rayon parallèle à l ’axe optique donne un rayon réfléchi provenant du foyer. Rayon 3: Un rayon allant vers le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique.

4.8 (suite) Les rayons principaux Objet virtuel et image réelle Rayon 2: Un rayon allant vers l’objet parallèle à l ’axe optique donne un rayon réfléchi provenant du foyer. Rayon 3: Un rayon allant vers l’objet et le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique.

4.8 (suite) L ’image est toujours visible par l’œil. L ’objet et l’image peuvent être réels ou virtuels. Dans le cas d’une image réelle, elle se formera sur un écran placé au bon endroit; elle sera visible à l’œil, en autant que ce dernier soit situé à une distance plus grande que l’objet. Une image virtuelle est visible par l ’œil, mais impossible à recueillir sur un écran.