La loi de la réflexion (physique): qu'est-ce que c'est et comment ça marche ?

Voir votre reflet dans le miroir est quelque chose de si courant que vous pourriez le tenir pour acquis, mais il y a beaucoup de choses à considérer simplement se cacher sous la surface.

La surface plane du miroir de votre salle de bain peut donner un reflet parfait, mais comment les miroirs courbés amusants produisent-ils des distorsions aussi étranges, vous faisant paraître ultra-grand ou petit et trapu? Comment chaque rayon lumineux peut-il rebondir sur la surface de manière si parfaite pour créer une image claire? Pourquoi ne voyez-vous pas un reflet clair sur une surface rugueuse ?

Ces questions pourraient être le genre de choses que vous imaginez qu'un enfant trop zélé pourrait poser, mais la physique de la réflexion, et en particulier la la loi de la réflexion, explique de nombreux phénomènes et est un tremplin important pour comprendre des concepts plus complexes comme la réfraction et le Snell droit.

Lorsqu'une onde lumineuse frappe une surface, tout ou partie de celle-ci se retourne brusquement et se réfléchit à nouveau loin de la surface. Pour une surface lisse comme un miroir plan, la quasi-totalité de la lumière qui la frappe est réfléchie, et l'image résultante est une réflexion nette et « spéculaire ». C'est la forme de réflexion avec laquelle vous serez le plus familier, et sans aucun doute à laquelle vous penserez lorsque vous imaginerez une réflexion.

Cependant, la réflexion spéculaire n'est pas le seul type: il existe également des réflexions diffuses de la lumière. Lorsque des rayons lumineux parallèles finissent par frapper une surface rugueuse, les rayons lumineux individuels frappent légèrement points différents et se reflètent dans des directions différentes en raison de l'irrégularité de l'ébauche surface. C'est ce qu'on appelle une réflexion diffuse car même si toute la lumière est toujours réfléchie, les ondes lumineuses sont dispersées tout autour et ne forment pas une seule image nette.

Dans certains cas, par exemple à la surface d'une fenêtre, vous remarquerez une fausse réflexion qui est beaucoup moins clairement définie que celle que vous verriez dans un miroir. C'est parce qu'à une telle interface, il y a une certaine réflexion traditionnelle, mais aussi une chance substantielle que la lumière soit transmise à travers la fenêtre à la place.

Vous avez besoinLa loi de Snellpour décrire complètement ce qui arrive à la lumière transmise à travers la fenêtre (qui obtientréfracté), mais la loi de la réflexion explique toujours ce qui arrive à la lumière réfléchie même dans cette situation plus compliquée.

Avant de discuter de la loi de la réflexion, il est bon d'apprendre la terminologie utilisée pour décrire des situations comme celle-ci.

Premièrement, la lumière sur le chemin du miroir ou de la surface est appelée larayon lumineux incidentou simplement la lumière incidente, et cette lumière après la réflexion est appelée larayon lumineux réfléchi​.

leangle d'incidencedu rayon lumineux incident est l'angle qu'il fait avec la « ligne normale » de la surface au point d'incidence. « Normal » dans ce contexte signifie la ligne qui s'étend perpendiculairement à la surface en ce point, de sorte qu'un rayon lumineux frappant un un miroir frontal aura un angle d'incidence de 0 degré, tandis qu'un rayon incident parfaitement diagonal aura un angle de 45 degrés de incidence.

leangle de réflexionest très similaire à l'angle d'incidence, mais comme vous pouvez vous y attendre, décrit l'angle que le rayon lumineux réfléchi fait avec la ligne normale à la surface au point d'incidence. C'est juste la contrepartie de l'angle d'incidence défini ci-dessus.

Il convient également de noter qu'un rayon lumineux est une façon légèrement idéalisée de décrire la lumière - vous pensez essentiellement à en termes de rayons parfaitement rectilignes, alors qu'en réalité c'est une onde transversale et beaucoup plus compliquée à décris. Cependant, pour comprendre la réflexion, vous n'avez pas besoin de ce niveau de détail - il est toujours bon de simplifier les choses quand vous le pouvez en physique !

La loi de la réflexion stipule que pour un rayon de lumière incident, l'angle d'incidence sera égal à l'angle de réflexion. En termes simples, si un rayon lumineux s'approche de la surface réfléchissante exactement perpendiculairement à la surface, il sera réfléchi directement vers l'arrière le long de la même ligne, mais si ce n'est pas tout à fait perpendiculaire, il sera réfléchi de l'autre côté de la ligne perpendiculaire par un égal montant.

Appeler l'angle de réflexionθ​_r et l'angle d'incidenceθ​_je, la formule de la loi de réflexion est simplement :

Donc, si vous pointez un pointeur laser sur le miroir de votre salle de bain à un angle de 45 degrés par rapport à la ligne normale (donc exactement à mi-chemin entre être aligné avec la face du miroir et lui étant perpendiculaire), alors il sera réfléchi à 45 degrés dans le sens opposé direction.

Pensez à un joueur de billard faisant rebondir une balle sur une partie plate du coussin, ou à un joueur de tennis jugeant l'angle sous lequel la balle rebondira après avoir touché le sol. Ces deux situations ne sont pasà la perfectionégal en termes d'angle d'incidence et d'angle de rebond (car de l'énergie est perdue dans les deux cas), mais en substance, la lumière se comporte de la même manière.

L'exemple le plus simple de la loi de la réflexion est lorsque vous regardez dans un miroir plan. Imaginez que vous regardez à vos pieds dans un miroir pleine longueur et réfléchissez à l'endroit où les rayons lumineux se déplacent réellement.

Les rayons lumineux partent de vos pieds vers le miroir, à un certain angle d'incidence. La loi de réflexion nous dit que l'angle auquel il réfléchit doit correspondre à l'angle auquel il a été incident, donc il doit frapper le miroir à mi-chemin entre vos pieds et la hauteur de vos yeux, et vous pouvez calculer cela exactement avec un peu de trigonométrie.

Vous avez peut-être remarqué des problèmes de reflets lorsque vous essayez de regarder la télévision, et c'est un autre exemple de la loi de la réflexion dans la vie de tous les jours. Le problème est que le téléviseur est une surface lisse et qu'il agit effectivement comme un miroir plan pour le soleil ou la lumière d'une lampe qui gâche votre image.

Bien qu'il existe de nombreuses tentatives technologiques pour résoudre ce problème, vous pouvez tirer parti de la loi de la réflexion et simplement tordre le téléviseur pour changez l'angle entre la ligne normale à l'écran et la lumière incidente, déplaçant ainsi le reflet de votre ligne des yeux.

Les miroirs amusants sont un peu plus compliqués, mais vous pouvez comprendre ce qui se passe si vous pensez aufaçonnerde la surface du miroir. Pensez à la façon dont la loi de réflexion s'appliquerait à un miroir légèrement incurvé, de sorte que le haut et le bas dépassent et que le centre soit comparativement plus en arrière. Comment votre image changerait-elle ?

Il existe de nombreux exemples de problèmes que vous pouvez essayer avec une compréhension de base de ce que signifie la loi, mais un est particulièrement intéressant et devrait vous aider à vous familiariser avec les concepts clés.

Imaginez deux miroirs à un angle de 90 degrés l'un par rapport à l'autre et se rencontrant sur un bord, comme s'ils formaient un demi-carré. Si vous projetez un rayon de lumière sur ces deux miroirs, il se reflétera sur le premier, puis sur le second, puis se reflétera sur les miroirs. Cependant, l'angle auquel il réfléchit finalement est parallèle à l'angle d'incidence.

Pouvez-vous le prouver? Imaginez que la lumière soit incidente à 30° sur le premier miroir, puis parcourez le trajet du rayon pas à pas et voyez ce que vous obtenez. Si vous le faites, et si ce n'était pas spécifiquement 30°, et vous venez de dire que c'était un incident à un angleφà la place, pouvez-vous prouver la même chose en général ?