Lois de la réfraction de la lumière en physique-chimie Seconde - Vision et image

• 1 Vide : n = 1,000
• 2 Air : n ≈ 1,000
• 3 Eau : n = 1,33
• 4 Verre crown : n = 1,52
• 5 Diamant : n = 2,42

Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale au point d'incidence sont situés dans un même plan.

Ce plan est appelé plan d'incidence.

Contrairement à la réflexion, le rayon réfracté se trouve dans l'autre milieu.

• 1 Rayon incident : rayon lumineux qui arrive sur la surface de séparation
• 2 Rayon réfracté : rayon lumineux qui continue dans le second milieu
• 3 Point d'incidence : point de contact entre le rayon et la surface
• 4 Normale : droite perpendiculaire à la surface de séparation
• 5 Surface de séparation : frontière entre les deux milieux

La deuxième loi de la réfraction est formulée par la loi de Snell-Descartes :

Où :

• n₁ est l'indice de réfraction du premier milieu
• n₂ est l'indice de réfraction du second milieu
• i₁ est l'angle d'incidence (mesuré par rapport à la normale)
• i₂ est l'angle de réfraction (mesuré par rapport à la normale)

Quand la lumière passe d'un milieu moins réfringent à un milieu plus réfringent (n₁ < n₂) :

• Le rayon se rapproche de la normale (i₂ < i₁)
• Exemple : air → eau, air → verre

Quand la lumière passe d'un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n₁ > n₂) :

• Le rayon s'éloigne de la normale (i₂ > i₁)
• Exemple : eau → air, verre → air

Les lentilles sont des systèmes optiques qui exploitent la réfraction pour dévier les rayons lumineux.

Une lentille convergente :

• Épaisse au centre et fine sur les bords
• Fait converger les rayons lumineux parallèles en un point appelé foyer
• Utilisée dans les appareils photographiques et les microscopes

Une lentille divergente :

• Fine au centre et épaisse sur les bords
• Fait diverger les rayons lumineux
• Utilisée pour corriger la myopie

• Lunettes de vue
• Appareils photographiques
• Microscopes
• Télescopes
• Lunettes astronomiques
• Projecteurs

• 1 Baguette cassée dans l'eau
• 2 Position apparente des poissons dans l'eau
• 3 Arc-en-ciel (réfraction et dispersion)
• 4 Mirage dans le désert
• 5 Lentilles de contact

Quand vous regardez une baguette dans l'eau, la lumière provenant de la partie immergée est réfractée.

Le rayon lumineux change de direction en passant de l'eau à l'air.

Votre œil perçoit la lumière comme si elle venait en ligne droite, créant l'illusion de discontinuité.

De même, les poissons paraissent à une position différente de leur position réelle.

L'œil humain fonctionne comme un système optique complexe :

• La lumière entre par la cornée (première surface réfringente)
• Le cristallin (deuxième surface réfringente) ajuste la convergence
• La lumière converge sur la rétine
• Les cellules photosensibles transforment la lumière en signaux nerveux

La réfraction est essentielle pour la formation d'images nettes.

Myopie : l'image se forme avant la rétine

Hypermétropie : l'image se forme derrière la rétine

Astigmatisme : cornée irrégulière

Ces défauts sont corrigés par des verres correcteurs qui exploitent la réfraction.

Quand la lumière passe d'un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n₁ > n₂), il existe un angle d'incidence limite.

Si l'angle d'incidence dépasse cet angle critique, la lumière est totalement réfléchie : c'est la réfraction totale.

L'angle critique i_c est donné par : sin(i_c) = n₂/n₁

• Fibres optiques pour les communications
• Endoscopie médicale
• Prismes dans les jumelles
• Effet mirage dans le désert
• Brillance des diamants

Une fibre optique est constituée de deux couches de verre avec des indices de réfraction différents :

• Le cœur (indice plus élevé)
• La gaine (indice plus faible)

La lumière subit des réflexions totales successives dans le cœur.

Elle peut ainsi parcourir de longues distances sans grande perte.

• Télécommunications (internet, téléphone)
• Médecine (endoscopie)
• Systèmes de sécurité
• Capteurs optiques
• Éclairage décoratif

• 1 Un bloc de verre semi-cylindrique
• 2 Une source lumineuse (lampe ou laser)
• 3 Un rapporteur ou un demi-cercle gradué
• 4 Du papier blanc
• 5 Un crayon
• 6 Une règle

1. 1 Poser le bloc semi-cylindrique sur le papier
2. 2 Tracer la surface de séparation
3. 3 Diriger un rayon lumineux vers la surface plane
4. 4 Marquer le rayon incident et le rayon réfracté
5. 5 Mesurer les angles d'incidence et de réfraction
6. 6 Vérifier la loi de Snell-Descartes

On utilise la loi de Snell-Descartes : n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂)

Avec n₁ = 1,00 (air), n₂ = 1,50 (verre), i₁ = 45°

L'angle de réfraction est de 28,1°.

Le schéma montre :

• Une surface de séparation entre air et verre
• Une normale perpendiculaire à la surface
• Un rayon incident qui arrive avec un angle de 45° par rapport à la normale
• Un rayon réfracté qui continue avec un angle de 28,1° par rapport à la normale
• Le rayon réfracté est plus proche de la normale que le rayon incident

Le rayon réfracté se rapproche de la normale car le verre est plus réfringent que l'air (n₂ > n₁).

Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu moins réfringent à un milieu plus réfringent, il se rapproche de la normale.

Cela est conforme à la loi de Snell-Descartes : sin(i₂) = (n₁/n₂) × sin(i₁)

Comme n₁/n₂ < 1, on a sin(i₂) < sin(i₁), donc i₂ < i₁.

Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans le même plan.

n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂)

• n = c/v (sans unité)
• n ≥ 1 pour tous les milieux transparents
• Exemples : air (≈1), eau (1,33), verre (1,5), diamant (2,42)

• Lentilles optiques
• Œil humain
• Fibres optiques
• Phénomènes naturels