Son et Lumière Leçon N 2 La réflexion et la réfraction Introduction Dans cette partie, véritablement la première partie de l optique géométrique, nous allons voir comment expérimentalement nous pouvons vérifier les lois de DESCARTES nous verrons aussi quelques application de la réflexion et de la réfraction de la lumière. Les objectifs sont ici : - Savoir distinguer la réflexion de la réfraction de la diffusion. - Savoir énoncer les lois de DESCARTES relatives à la réflexion et la réfraction. Les pré-requis sont les suivants : - Propagation rectiligne de la lumière. - Le chapitre précédent sur l émission la réception et la propagation de la lumière. 224-02 : Réflexion et Réfraction (SL 1) Cours 1-5
1. Diffusion, réflexion et réfraction de la lumière Pour montrer la différence qu il existe entre ces trois différentes notions, on utilise deux expériences simples. La première permet de mettre en évidence la différence entre la diffusion et la réflexion et la deuxième met en valeur la réflexion et la réfraction. Expérience 1 : Matériel : - Une lampe - un écran de diffusion - Un miroir. Observation Lorsqu on éclaire l écran recouvert d une feuille de papier on constate que la lumière est réfléchie dans tous les sens et qu elle éclaire dans toutes les directions. Lorsqu on éclaire le miroir, on remarque que le seul faisceau incident est réfléchi à l identique. 1.1- Diffusion. Lorsqu une surface renvoie la lumière dans toutes les directions, on dit qu elle diffuse de la lumière : c est le phénomène de diffusion. 1.2- Réflexion. Lorsqu une surface renvoie la lumière dans une direction privilégiée, on dit qu elle réfléchit la lumière : c est le phénomène de réflexion. Expérience 1 : Matériel : - un LASER - un statif - du fil de pêche - des poids identiques. - une cuve contenant de l eau et de la fluorine. Montage : Observations On pointe le LASER sur la cuve et on remarque que la faisceau lumineux se réfléchi sur le plan d eau. Les différents fils permettent de montrer qu il existe bel et bien un plan d incidence (première loi de DESCARTES qui est identique au plan de réfraction et au plan de réflexion. 1.3- Réfraction. Lorsque la lumière traverse une surface de séparation entre deux milieux transparents, elle subit un brusque changement de direction : c est le phénomène de réfraction. A la surface de séparation de deux milieux transparents, on peut observer simultanément les phénomènes de réflexion et de réfraction. 224-02 : Réflexion et Réfraction (SL 1) Cours 2-5
2. La Réflexion de la lumière 2.1- Interprétation de l expérience. Si on schématise la surface de l eau ainsi que le rayon lumineux à la séparation entre les deux milieux air et eau, on en arrive au schéma suivant : I : (SI) : (IR) : (IN) : i : r : point d incidence. rayon incident. rayon réfléchi. normale au plan du miroir. angle d incidence. angle de réflexion. Rappel : Un plan peut être définit notamment au moyen de deux droites. (ce qui sera le cas ici). Important : On définit le plan d incidence comme le plan qui contient le rayon incident (IS) et la normale au plan de réflexion (IN). 2.2- Lois de DESCARTES sur le réflexion. Première loi : Le rayon incident et le rayon réfléchi appartiennent au même plan : le plan d incidence. Deuxième loi : L angle de réflexion (r) est égal à l angle d incidence (i) i = r Remarque : Si un rayon lumineux arrive selon RI le rayon réfléchi correspond à IS. Le trajet suivi par la lumière est indépendant du sens de propagation de la lumière c est le principe du retour inverse de la lumière. 224-02 : Réflexion et Réfraction (SL 1) Cours 3-5
3. La réfraction de la lumière 3.1- Interprétation de l expérience. I : (SI) : (IR) : point d incidence. rayon incident. rayon réfléchi. (IT) : rayon réfracté ou transmis. (IN) : miroir. normale au plan du i : angle d incidence. r : angle de réflexion. i : angle de réfraction. 3.2- Lois de DESCARTES sur le réfraction. Première loi : Le rayon incident et le rayon réfracté appartiennent au même plan : le plan d incidence. Deuxième loi : L angle de réflexion (r) est lié à l angle de réfraction (r ) par la relation de DESCARTES sin i = n 2 sin i Remarque : On note l indice du premier milieu traverse et n 2 l indice du deuxième milieu. 3.3- Cas particulier : le cas de la réflexion TOTALE. Il existe un angle limite à partir duquel il n y a plus de rayon réfracté, cet angle limite noté i l définit le cas de la réflexion totale. Premier cas : La lumière pénètre dans un milieu d indice plus grand < n 2 (le milieu (2) est dit alors plus réfringent). C est par exemple le cas lorsque le faisceau lumineux passe de l eau à l air. Dans ce cas le rayon réfracté est plus proche de la normale que le rayon incident. Ainsi l angle de réfraction (dans l eau) est toujours plus grand que l angle d incidence (dans l air). Si < n 2 alors i 2 > i 1 Et si on augmente l angle d incidence on constate qu il y a toujours un rayon réfracté dans le milieu dont l indice est le plus élevé. Deuxième cas : La lumière pénètre dans un milieu d indice plus petit > n 2 (le milieu (2) est dit alors moins réfringent). 224-02 : Réflexion et Réfraction (SL 1) Cours 4-5
C est par exemple le cas lorsque le faisceau lumineux passe de l air à l eau. Dans ce cas le rayon réfracté est plus éloigné de la normale que le rayon incident. Ainsi l angle de réfraction (dans l air) est toujours plus faible que l angle d incidence (dans l eau). Si > n 2 alors i 2 < i 1 Par contre désormais si on augmente l angle d incidence on remarque que lorsque celui-ci dépasse une valeur particulière appelé angle de réfraction limite, alors nous n observons plus de rayon réfracté ; c est le phénomène de réflexion totale. Dans ce cas particulier i = 90 ainsi sin i = 1 La loi de DESCARTES relative à la réfraction devient alors : sin i = n 2 sin i devient : sin i l = n 2 Ainsi : sin i l = n2 Le phénomène de réflexion totale se produit à la surface de séparation de deux milieux d indices différents et n 2 : - lorsque l on cherche à transmettre de la lumière vers un milieu d indice plus faible > n 2 - lorsque l angle d incidence i 1 est supérieur à l angle limite i l avec : sin i l = n 2 4. Synthèse Lorsqu une surface renvoie la lumière dans toutes les directions, on dit qu elle diffuse de la lumière : c est le phénomène de diffusion. Lorsqu une surface renvoie la lumière dans une direction privilégiée, on dit qu elle réfléchit la lumière : c est le phénomène de réflexion. Lorsque la lumière traverse une surface de séparation entre deux milieux transparents, elle subit un brusque changement de direction : c est le phénomène de réfraction. A la surface de séparation de deux milieux transparents, on peut observer simultanément les phénomènes de réflexion et de réfraction. Lois sur la réflexion : Le rayon incident et le rayon réfléchi appartiennent au même plan : le plan d incidence. L angle de réflexion (r) est égal à l angle d incidence (i) i = r Lois sur la réfraction : Le rayon incident et le rayon réfracté appartiennent au même plan : le plan d incidence. L angle de réflexion (r) est lié à l angle de réfraction (r ) par la relation de DESCARTES sin i = n 2 sin i Cas de la réflexion totale : Le phénomène de réflexion totale se produit à la surface de séparation de deux milieux d indices différents et n 2 : - lorsque l on cherche à transmettre de la lumière vers un milieu d indice plus faible > n 2 - lorsque l angle d incidence i 1 est supérieur à l angle limite i l avec : sin i l = n2 224-02 : Réflexion et Réfraction (SL 1) Cours 5-5