Fiche de physique - chimie
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RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE

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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 ?
Réfraction de la lumière : image 1

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.
Réfraction de la lumière : image 2

III. Lois de la réfraction : les lois de Descartes

1. Première loi de Descartes

a. Vocabulaire

Réfraction de la lumière : image 3


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

1ère 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.
Réfraction de la lumière : image 4

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}}


2ème 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.

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lulu3324
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