Les lois de l'optique

Les lois de la réflexion et de la réfraction
Auteurs : Romain Maronnier(plus d'infos)
Résumé :
Les miroirs et les lentilles sont des objets qui permettent d'obtenir des images d'autres objets éclairés. Ces images se forment après réflexion et réfraction de la lumière. Ces phénomènes physiques se produisent lorsque la lumière rencontre un obstacle ou change de milieu de propagation.
Publication : 1 Juillet 1999

Les miroirs et les lentilles sont des objets qui permettent d'obtenir des images d'autres objets. Ces images se forment après réflexion et réfraction de la lumière. Ces phénomènes physiques se produisent lorsque la lumière rencontre un obstacle ou change de milieu de propagation.

Description

Considérons un faisceau lumineux (ensemble de rayons lumineux) rencontrant une surface séparant deux milieux (une vitre, la surface de l'eau contenue dans un verre, etc.). Quand la lumière atteint cette surface, une partie des rayons lumineux est réfléchie, l'autre partie est réfractée, c'est-à-dire transmise à l'autre milieu.
C'est ce qui se passe quand on regarde depuis la rue une vitrine d'un magasin. On peut voir par réflexion une scène se déroulant derrière soi tandis qu'un observateur situé de l'autre côté de la vitrine dans le magasin peut observer la même scène grâce à la réfraction. En effet, une partie des rayons lumineux est transmise à travers la vitre, se propage dans l'espace du magasin et pénètre dans l'oeil de l'observateur qui peut voir la même chose que la personne se trouvant dans la rue.
Dans le cas du miroir, celui-ci sépare un milieu transparent d'un milieu opaque. Dans cette situation, il n'y a pas réfraction mais uniquement réflexion de la lumière. Si la surface de séparation n'est pas parfaitement polie comme celle du miroir, on parle de diffusion de la lumière plutôt que de réflexion, diffusion qui se fait dans toutes les directions.

 

Lois physiques

La réflexion et la réfraction de la lumière sont régies par des lois physiques établies par le physicien Descartes.
Ces lois sont transposées sur le schéma suivant :

 

Ces lois s'énoncent de la façon suivante :

1. Le rayon réfléchi A'1 repart avec un même angle de déviation que le rayon incident A1. Par convention, cet angle est pris par rapport à la normale N à la surface (la normale N est la droite perpendiculaire à la surface).

2. L'angle de déviation du rayon réfracté A2 dépend d'un paramètre supplémentaire : l'indice de réfraction des milieux 1 et 2. Cet indice est fonction de la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu. Rappelons que la lumière se propage à 300 000 kilomètres par seconde uniquement dans le vide. Cette vitesse change quand la lumière traverse un autre milieu que le vide. L'indice de réfraction de l'eau est égal à 1,3 et 1,5 pour le verre par exemple.

Un rayon lumineux est plus dévié (son angle par rapport à la normale est plus grand) quand il passe dans un milieu 2 dont l'indice de réfraction est plus faible que le milieu de départ (on dit que le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1).

On peut facilement observer une réflexion en utilisant sa montre pour réfléchir les rayons du Soleil. On peut ainsi choisir la direction des rayons du Soleil en inclinant plus ou moins la montre (on utilise souvent cette technique pour éblouir quelqu'un).
De même, on peut facilement mettre en évidence une réfraction en plongeant une paille dans un verre d'eau. On a l'impression que la paille est cassée au niveau de la surface. L'eau ayant un indice de réfraction plus élevé que l'air, les rayons lumineux provenant de la paille sont déviés à la traversée de l'eau, ce qui donne cette impression de discontinuité.

 

 

 

 


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