Fiche de physique - chimie

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RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE

I. Mise en évidence

Lorsque l'on place un bâton dans un récipient rempli d'eau, on constate que le bâton semble "cassé" !

Problématique : quel est ce phénomène et comment l'expliquer ?

II. Notion de réfraction

Définition

On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subi à la traversée de la surface de séparation entre deux milieux transparents.

Exemple : lorsque l'on envoie un faisceau laser à la surface de l'eau, sa vitesse de propagation est modifiée ! Le faisceau laser est réfracté suivant une autre direction.

III. Lois de la réfraction : les lois de Descartes

1. Première loi de Descartes

a. Vocabulaire

$SI$ : rayon incident ;
$IR$ : rayon réfracté ;
$I$ : point d'incidence ;
$NI$ : droite normale (perpendiculaire) à la surface de séparation (ou dioptre) ;
Le plan d'incidence : c'est le plan qui contient le rayon incident ( $SI$ ) et la normale ( $NI$ ) au point d'incidence $I$ .

b. Enoncé de la loi

1^ère loi de Descartes

Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence.

2. Deuxième loi de Descartes

L'angle de réfraction $r$ est généralement différent de l'angle d'incidence $i$ .

Lorsque l'on trace $sin(i)$ en fonction de $sin(r)$ , la courbe obtenue est une droite qui passe par l'origine : $sin(i)$ et $sin(r)$ sont donc proportionnels.

En conséquence, on obtient la deuxième loi de Descartes : $\boxed{sin(i) = k \times sin(r)}$

IV. Indice de réfraction

Définition

Pour une radiation donnée, un milieu transparent homogène est caractérisé par un indice de réfraction $n$ :

$\boxed{n = \dfrac{c}{v}}$

$n$ indice de réfraction (nombre sans unité et $n > 1$ )
$c$ vitesse de la lumière dans le vide (m/s)
$v$ vitesse de la lumière dans le milieu considéré (m/s)

* Remarque : comme $c > v$ alors $n > 1$ .

* Retour sur la relation précédente : $sin i = k \times sin r$

* Question : que représente la grandeur $k$ ?
Le rayon lumineux passe du milieu 1 d'indice $n_1$ au milieu 2 d'indice $n_2$ .
Le coefficient $k$ représente le quotient de l'indice de réfraction du milieu 2 et de l'indice de réfraction du milieu 1. On écrit alors :

$\boxed{k = \dfrac{n_2}{n_1}}$

2^ème loi de Descartes

La deuxième loi de Descartes s'écrit alors :

$\boxed{n_1 \times sin (i) = n_2 \times sin (r)}$

* Cas particulier : lorsque le rayon incident est confondu avec la normale, il est réfracté mais pas dévié : l'angle d'incidence ayant pour valeur i = 0°, le rayon lumineux traverse donc le dioptre (= surface de séparation) suivant la normale.

V. Conclusion

Lorsque l'on regarde un bâton plongé dans l'eau, le rayon lumineux partant du bout de la partie immergée du bâton subit une réfraction à la surface de l'eau ; il va donc être dévié .

En conséquence, le bâton nous apparait "en 2 morceaux distincts" alors qu'en réalité il est entier.

Publié par T_P / mise à jour par gbm et relue par vanoise le 08-05-2020

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