La réfraction

Avez-vous déjà remarqué qu'une petite cuillère plongée dans un verre d'eau paraît cassée...

Lorsque la lumière passe d'un milieu dans un autre, elle est déviée Lorsque la lumière passe d'un milieu dans un autre, elle est déviée. Ce phénomène se nomme : réfraction de la lumière.

Remarque : Chaque milieu transparent est caractérisé par une valeur que l'on appelle l'indice (noté n) qui n'a pas d'unité. Exemples : L'air : n= 1,0 L'eau : n= 1,33 Le plexiglas : n=1,5 Le verre : n=1,6

Exemple : un rayon lumineux passe de l'air dans l'eau selon le schéma : Air : n1=1,0 Eau : n2=1,33

Le rayon qui traverse le premier milieu (noté milieu 1 d'indice n1) est appelé rayon incident. Pour connaître l'angle sous lequel le rayon lumineux arrive sur la surface de séparation entre les deux milieux, il faut tracer un trait que l'on nomme la normale. Pour tracer la normale (en pointillé), il faut tracer la perpendiculaire à la surface de séparation entre les deux milieux au point où arrive le rayon incident.

Schéma : Rayon incident Air : n=1,0 Eau : n=1,33 La normale

L’angle d’incidence (noté généralement i ou i1) est l’angle entre le rayon incident et la normale.

Schéma : i1 Air : n=1,0 Eau : n=1,33

Le rayon lumineux passe dans le milieu 2 (c’est-à-dire l’eau) Le rayon lumineux passe dans le milieu 2 (c’est-à-dire l’eau). On a un rayon appelé rayon réfracté. L’angle de réfraction (noté généralement r ou i2) est l’angle entre la normale et le rayon réfracté.

Schéma : Rayon incident Air : n=1,0 Eau : n=1,33 Angle de réfraction rayon réfracté

Définition : Le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface est appelé : le plan d’incidence. Le plan d’incidence est l’écran (ou la feuille où vous tracez les schémas).

Lois de Descartes : 1ère loi de Descartes : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence. 2ème loi de Descartes : L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 sont liés par la relation : n1 × sin i1 = n2 × sin i2 avec : n1 : indice de réfraction du milieu 1 n2 : indice de réfraction du milieu 2

Remarque : Lorsqu’un rayon lumineux arrive perpendiculairement à la surface de séparation entre les deux milieux, il n’est pas dévié.

Milieu 1 Milieu 2 Milieu 2

Remarque : i1 < i2 si n1 > n2. Lorsque l’on passe d’un milieu 1 (d’indice n1) à un milieu 2 (d’indice n2), on a : i1 > i2 si n1 < n2 i1 < i2 si n1 > n2. Lorsque n1 > n2, si l’angle i1 est trop important, le rayon lumineux n’est plus réfracté, il est réfléchi et ne peut pas passer dans le milieu 2.

Exercice 1 : Un rayon lumineux passe du verre dans l’air. L’angle de réfraction est r = 80,0°. Calculer l’angle d’incidence i en prenant n(air) = 1,0 et n(verre) = 1,6. Faire un schéma de la situation.

Réponse : On applique la loi de Descartes : n1 × sin i = n2 × sin r → 1,6 × sin i = 1,0 × sin 80,0 → sin i = 0,62 donc : i = 38°.

Exercice 2 : Calculer l’indice du plexiglas : 51° 51° 51° air 25°

Correction : L’angle d’incidence (entre le rayon incident et la normale) est : 90 -51 = 39° D’après la loi de Descartes : n1 × sin i1 = n2 × sin i2 Donc : 1 × sin 39 = n2 × sin 25 On obtient : n2 = 1,49.

Exercice 3 : soit l’expérience :

Le demi cylindre est en plexiglas (on prendra n(plexiglas) = 1,5. 1) Pourquoi le faisceau de lumière arrivant sur la face arrondi du cylindre n’est pas dévié lorsqu’il traverse la séparation entre l’air et le plexiglas ? 2) Le rayon arrive sur la surface de séparation plane. Calculer l’angle de réfraction r pour un angle d’incidence i = 30° . 3) Même question que 2) pour i = 60°.

Réponse : Question 1 : lorsque la surface de séparation n’est pas plane. Il faut tracer la tangente au point où arrive le rayon. Cette tangente correspond à la surface de séparation en ce point. En traçant la normale, on constate qu’elle est confondue avec le rayon incident donc le rayon arrive perpendiculairement à la surface de séparation donc le rayon n’est pas dévié.

tangente i r

Question 2 : On trouve d’après Descartes : 1,5 × sin 30 = 1,0 × sin r donc : r = 48,6°. Question 3 : On trouve d’après Descartes : 1,5 × sin 60 = 1,0 × sin r donc : sin r = 1,3 > 1. Ce n’est pas possible donc il n’y a pas de rayon réfracté. Le rayon est réfléchi.

Quelques liens pour s’entraîner sur la réfraction : http://helium4.fr/quiz/dispersion/ http://ww3.ac- poitiers.fr/voir.asp?p=sc_phys/tournier/seco ndes/physique/Optiq/optiq.htm

FIN