École La Dauversière, Montréal, juin 2001 Réfléchissons Par Yasmine Juarez et Atia Choudhry École La Dauversière, Montréal, juin 2001 Validation du contenu et révision linguistique: Karine Lefebvre Science animée, 2001 Cliquez ici pour commencer

Réfléchissons

Gracieuseté de JUAREZ YASMINE & CHOUDHRY ATIA

Table des matières Introduction Réfraction Réflexion totale interne Fibre optique Réflexion Conclusion Bibliographie

Archimède Pythagore Euclide Hertz Newton Introduction La lumière est une onde électromagnétique transversale se propageant à la vitesse de 3,0x108 m/s. Depuis la nuit des temps, elle a fasciné les plus grands savants comme : Archimède Pythagore Euclide Hertz Newton

Il existe une quantité impressionnante de phénomènes causés par la lumière, appelés PHÉNOMÈNES LUMINEUX. Exemples: 1.Fluorescence 2.RÉFLEXION 3.Phosphorescence 4.RÉFRACTION 5.Incandescence 6.Dispersion 7.Absorption sélective 8.Diffraction 9.Diffusion

Réflexion

    = i = angle incident r = angle réfléchi ///////////////// i DÉFINITION: Changement de direction de la lumière lorsqu’elle frappe une surface. EXEMPLE: Un rayon provenant d ’une source lumineuse frappe un miroir. Il est dévié selon la loi de la réflexion. MIROIR /////////////////   = Rayon réfléchi Rayon incident i r   r i i = angle incident r = angle réfléchi Normale

Loi de la réflexion    i 1. Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale sont dans un même plan. 2. Angle incident = Angle réfléchi I N R    i r Air //////////////////////// miroir

Réfraction

Un changement de la vitesse de la lumière Définition: Changement de direction de la lumière lorsqu’elle traverse deux milieux de réfringence différente. La réfraction est causée par: Un changement de la vitesse de la lumière

Démonstration (Cliquer ici.) Si on considère la lumière comme une onde, le schéma suivant témoigne du changement de vitesse de celle-ci lorsqu’elle frappe la surface de séparation de 2 milieux transparents différents. Démonstration (Cliquer ici.)

Si on considère la lumière comme une onde, le schéma suivant témoigne du changement de vitesse de celle-ci lorsqu’elle frappe la surface de séparation de 2 milieux transparents différents. Front d’onde Milieu transparent 1 Milieu transparent 2

Reprenons notre définition: Changement de direction de la lumière lorsqu’elle traverse deux milieux de réfringence différente. LA RÉFRINGENCE EST LA CAPACITÉ D’UN MILIEU TRANSPARENT DE DÉVIER LA LUMIÈRE, DONC DE LA RÉFRACTER. ELLE SE MESURE PAR : L’INDICE DE RÉFRACTION

Indices de réfraction Milieux Indices VIDE 1,00 AIR 1,003 GLACE 1,37 EAU 1,33 ALCOOL ÉTHYLIQUE 1,36 QUARTZ FONDU 1,46 GLYCÉRINE 1,47 VERRE (CROWN) 1,52 DIAMANT 2,42

Trajectoire sans réfraction Ainsi, le rayon lumineux sera dévié lorsqu’il frappera la surface entre deux milieux transparents. Milieu transparent 1 Milieu transparent 2 Trajectoire sans réfraction

Exemple: Un rayon incident (I) se propage en ligne droite dans un milieu transparent (air) d’indice de réfraction n1 et forme un angle d’incidence 1 avec la normale (N). Il frappe un autre milieu transparent (bloc de verre) d’indice de réfraction n2. I N n2  n1  1 n1 n2  2 R

Si n2  n1 1. Le rayon réfracté (R) s’approche de la normale (N). 1 n1 Si n2  n1 n2 2 R 1. Le rayon réfracté (R) s’approche de la normale (N). 2. L’angle 2 sera plus petit que l’angle 1. 3. Le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1.

Exemple: Un rayon incident (I) se propage en ligne droite dans un milieu transparent (glycérine) d’indice de réfraction n1 et forme un angle d’incidence 1 avec la normale (N). Il frappe un autre milieu transparent (alcool) d’indice de réfraction n2. I n2 < n1 N  1 n1 n2  2 R

1. Le rayon réfracté (R) s’éloigne de la normale (N). 1 n1 n2 2 R Si n2  n1 1. Le rayon réfracté (R) s’éloigne de la normale (N). 2. L’angle 2 est plus grand que l’angle 1. 3. Le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1.

Loi de la réfraction 1. Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans un même plan. 2. Loi de Snell-Descartes: n1 sin 1 = n2 sin 2

Résolution de problèmes

Vous dirigez un rayon lumineux vers la surface d’un lac Vous dirigez un rayon lumineux vers la surface d’un lac. Le rayon pénètre dans l’eau sous un angle d’incidence de 40 degrés. Quel est l’angle de réfraction? #1 n1 sin 1 = n2 sin 2 1 X sin 400 = sin 2 1,33 n1 sin 1 = sin 2 n2 0,483298 = sin 2 sin-1 0,483298 = 2 = 28,90 I N 400 n1 = 1 n2 = 1,33  2 R

Un rayon de soleil vient frapper la surface d’un étang Un rayon de soleil vient frapper la surface d’un étang. Un poisson dans l’eau voit le soleil avec un angle de réfraction de 36 degrés. Quel est l’angle d’incidence de ce rayon ? #2 n1 sin 1 = n2 sin 2 1,33 X sin 360 = sin 1 1 n2 sin 2 = sin 1 n1 0,78175 = sin 1 sin-1 0,78175 = 1 = 51,40 I N  1 n1 = 1 n2 = 1,33 36o R

Réflexion totale interne

Air Air Eau Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau), l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter. Air Air Eau Eau

Air Air Eau Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau), l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter. Air Air Eau Eau

Air Air Eau Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau), l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter. Air Air Eau Eau

Puisque l’angle dans l’air est toujours plus grand que l’angle dans l’eau,air atteindra 90° avant eau. À cet instant, le rayon réfracté ne fera qu’effleurer la surface de l’eau. Pour eau,c’est l’angle critique! Symbole: c air =90° Air Eau c

Si eau augmente encore et dépasse l’angle critique, le rayon ne s’échappe plus de l’eau, il est complètement réfléchi par la surface de séparation. Ceci est: LA RÉFLEXION TOTALE INTERNE air eau r i   = i r

Loi De La Réflexion Totale Interne  1 c n1›n2 1›c 1 2 Lorsque la lumière passe d’un milieu plus réfringent (à indice de réfraction plus élevé) à un milieu moins réfringent, avec un angle d’incidence supérieur à l’angle critique, cela produit une réflexion totale interne.

n1 sin 1 = n2 sin 2 n1 sin C = n2 sin 900 sin C = n2 sin 900 n1 L’angle critique(c) varie selon le rapport des indices absolus de deux milieux. Pour le trouver, il faut seulement utiliser l’équation générale de la réfraction en donnant à l’angle du milieu moins réfringent une valeur de 90°. n1 sin 1 = n2 sin 2 sin C = n2 sin 900 n1 n1 sin C = n2 sin 900 sin C = 1 X 1 = 0,7518 1,33 sin-1 0,7518 = C = 48,80 Eau c air =90° Air

n1 sin 1 = n2 sin 2 n1 sin 1 = sin 2 n2 1,33 X sin 52º = sin 2 1 Que se passe-t-il au niveau des calculs si 1›c ? RÉFLEXION TOTALE INTERNE n1 sin 1 = n2 sin 2 1,33 X sin 52º = sin 2 1 n1 sin 1 = sin 2 n2 1,04805 = sin 2 sin-1 1,04805 = 2 = ERREUR Eau 1= 52 0 Air 2 = 52 0

Fibres optiques

Définition: Une fibre optique est un dispositif permettant de faire suivre à la lumière un parcours courbe. Diamètre: 50x10-6m Propriétés: Extrême minceur, donc une très grande souplesse. Matériaux: Le cœur de ce fil est constitué d’un verre d’une très grande transparence, enveloppé d’un verre ou d’un plastique plus ordinaire d’indice de réfraction plus bas. La lumière se propage grâce au cœur du fil. Réflexion totale interne

Explication: La lumière qui pénètre dans le cœur de la fibre par une extrémité subit une série de réflexions totales internes sur ses parois et ressort par l’autre bout avec le même angle. i n1›n2 1›c n1 n2 r Coeur Gaine(enveloppe)

Utilités: On assemble les fibres en faisceaux d’environ 0 Utilités: On assemble les fibres en faisceaux d’environ 0.5cm de diamètre, enrobés d’un matériau protecteur souple et opaque. On peut courber ces faisceaux à volonté, ce qui est d’une utilité inestimable en microchirurgie. Et aussi dans tous les cas où l’on désire observer de petits objets dans un environnement encombré.

La technique de la fibre optique est aussi utilisée pour l’observation interne d’organes vivants.

CONCLUSION la Réflexion et la Réfraction. Rappelons seulement qu’il existe plusieurs phénomènes lumineux, parmi lesquels : la Réflexion et la Réfraction.

1: Rayon incident 2: Rayon réfléchi 3: Rayon réfracté NORMALE 2 1 MILIEU TRANSPARENT #1 MILIEU TRANSPARENT #2 3

Réflexion totale interne (Fibres optiques) Rayon non guidé

Bibliographie

Livres Sites internet CD-ROM BOUCHARD, Régent. Physique Phénomènes lumineux, Montréal, LIDEC inc, 1992, 294 p. ASSELIN,Sylvie, ISSID, Pierre. Physique Une approche structurée Optique, ondes et physique moderne 301, Montréal, Guérin éditeur ltée, 1996, 276 p. Sites internet Michael Harvey. (Page consultée le 3-4 février 2001). Réflexion, [En ligne]. Adresse URL: http://www.physics.up.edu.au/cls/ CD-ROM Agence Science-Presse. (1996, Mars). «Miroir, miroir...». Québec Science [CD-ROM]. Sainte-Foy, Les Logiciels de Marque inc., 1997.