Physique Chimie en seconde
La réfraction
1. Expérience.
Une pièce de monnaie est déposée au fond d'une tasse vide. Prenons une photographie de la tasse en choisissant un angle de vue masquant la presque totalité de la pièce de monnaie (fig.1). Sans déplacer, ni la pièce de monnaie, ni l'appareil photo, remplir la tasse d'eau. Prendre à nouveau une photo de la tasse (fig.2).
Fig.1. La pièce est déposée au fond de la tasse.
Fig.2. La tasse est ensuite remplie d'eau.
Surprise ! La pièce semble avoir été déplacée. Avons-nous accidentellement déplacé la pièce en versant l'eau ? Même en refaisant l'expérience avec la pièce collée au fond de la tasse, nous verrions encore ce résultat. Quel est ce phénomène mystérieux ?
2. Analyse de l'expérience et introduction au phénomène de réfraction.
Dans l'air, la lumière se propage en ligne droite. L'observateur ne peut voir qu'une petite portion de la pièce de monnaie.
Les choses changent lorsque l'eau est introduite dans la tasse.
Nous observons un brutal changement de direction de la lumière au passage de l'eau à l'air.
C'est le phénomène de réfraction.
Pour l'observateur, la pièce semble s'être déplacée, et devient davantage visible.
Pourquoi ce changement de direction de la lumière ?
L'animation ci-contre, représente une onde lumineuse émise dans l'air (zone blanche),
et atteignant la surface de l'eau (zone bleue).
Dans l'eau, la propagation de la lumière (cercles verts) est plus lente que dans l'air (cercles bleus).
La ligne en tirets rouges visualise le trajet d'un élément de lumière et montre de façon évidente le changement de trajectoire.
En conclusion, c'est la différence de vitesse de propagation de la lumière qui est la cause de son
changement de direction lors du passage d'un matériau transparent à un autre.
Est-ce toujours le cas si la lumière est projetée perpendiculairement à la surface de l'eau ?
3. Indice de réfraction
L'indice de réfraction d'un matériau (noté "n") est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide (noté "c") sur la vitesse de la lumière dans le matériau (que nous noterons simplement "v"). L'indice de réfraction est donc sans unité.
Ces indices permettent l'identification de matériau inconnu, ou de calculer les angles des rayons lumineux dans les phénomènes de réfraction (utilisation de la loi de Snell-Descartes).
Exemple :
La vitesse de la lumière dans l'eau est de 225 056 km/s. L'indice de réfraction de l'eau est donc :
Exercice : Calculez l'indice de réfraction du plexiglas.
Donnée : vitesse de la lumière dans le plexiglas : 201 342 km/s.
4. Loi de Snell-Descartes
- i1 est l'angle du rayon incident.
- n1 est l'indice de réfraction du matériau 1 (en jaune).
- i2 est l'angle du rayon réfracté.
- n2 est l'indice de réfraction du matériau 2 (en bleu).
n1 × sin(i1) = n2 × sin(i2)
Exemple d'application : Dans une brocante, Caroline a acheté un vase et désire savoir si celui-ci est en simple verre,
ou en cristal. Elle projette un faisceau laser de l'air vers le vase, avec un angle i1 de 60°
et mesure un angle i2 de 32,8° pour le rayon réfracté.
Données : air : n = 1; verre : n = 1,5; cristal : n = 1,6.
Dans cette exercice, nous devons trouver n2, ce qui permettra d'identifier le matériau du vase.
n2 = n1 × sin(i1) / sin(i2) = 1 × sin(60°) / sin(32,8°)
= 1,59. D'après les données, c'est donc un vase en cristal.
Exercice :