Lorsqu'un rayon de lumière passe d'un support à un autre, comme lorsqu'il sort d'un étang d'eau ou lorsqu'il traverse vos lunettes, vous avez peut-être remarqué qu'il se plie. C'est ce qu'on appelle la réfraction, et cela se produit sous différents angles en fonction de la lumière incidente et du matériau. C'est aussi la façon dont les yeux peuvent voir et transmettre des images au cerveau.
Réfraction de la lumière
La réfraction est la courbure des rayons lumineux lorsqu'ils passent d'un milieu à un deuxième milieu. Cela résulte du fait que la lumière se déplace à des vitesses légèrement différentes dans différents médias. La réfraction d'un rayon lumineux dépendra de la différence de vitesse dans le second milieu par rapport au premier. Plus la différence de vitesse est grande, plus l'angle de réfraction est grand.
Vous pouvez y réfléchir en utilisant le principe du moindre temps. Imaginez un sauveteur essayant d'atteindre un nageur, loin du rivage et dans l'eau, dans les plus brefs délais. Elle sait qu'elle peut courir beaucoup plus vite qu'elle ne peut nager. Essayer d'atteindre la nageuse en se déplaçant en ligne droite serait inefficace en raison de sa vitesse de nage lente par rapport à sa vitesse de course; au lieu de cela, elle court sur la plage jusqu'à ce qu'elle soit presque devant le nageur, puis saute dans l'eau.
La distance qu'elle parcourt est plus longue, mais le temps parcouru est plus court en raison de ses différentes vitesses dans différents médiums. C'est ce que fait la lumière lorsqu'elle est réfractée.
Les vagues d'eau peuvent également être réfractées lorsqu'elles se déplacent entre des zones de profondeurs différentes, car les vagues se déplaceront à des vitesses différentes selon qu'elles se trouvent en eau peu profonde ou en eau profonde.
Indice de réfraction
L'indice de réfraction pour un milieu donné est un nombre sans unitémoùn = c/v, oùcest la vitesse de la lumière dans le vide etvest la vitesse de la lumière dans le milieu. Plus la lumière voyage lentement dans un milieu, plus l'indice de réfraction de ce milieu sera élevé. La vitesse d'une onde lumineuse dans un milieu dépendra de sa longueur d'onde, et donc de l'indice de réfraction.
Cela conduit à un phénomène appelédispersion, que l'on peut voir dans les prismes lumineux: lorsque la lumière blanche, qui contient des ondes lumineuses de différentes longueurs d'onde, pénètre dans un prisme, chaque onde lumineuse composante est réfractée à un angle différent en fonction de son longueur d'onde. Cela crée l'apparence d'un arc-en-ciel.
L'indice de réfraction dans l'air dépend de nombreux facteurs, notamment la pression et la température. Les "ondes" vues émanant d'objets chauds comme la chaussée en été se produisent parce que la lumière se réfracte différemment à travers l'air plus chaud que l'air plus froid, provoquant des images déformées.
De plus, l'air près d'une route chaude en été peut effectivement refléter la lumière qui vient vers un observateur à un angle faible, faisant apparaître comme s'il y avait un miroir ou une surface d'eau réfléchissante sur le route.
La loi de Snell
La loi de Snell relie les indices de réfraction de deux milieux, ainsi que l'angle d'incidenceθjeà l'angle de réfractionθr, à la façon dont la lumière se courbe lorsqu'elle passe d'un support à l'autre.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Cette équation peut prédire l'angle auquel la lumière se réfractera dans un milieu donné, si les indices de réfraction des deux milieux et l'angle incident sont connus. Cela est vrai dans toute situation impliquant la réfraction de la lumière, avec deux médiums quelconques.
Réflexion interne totale
Si les ondes lumineuses passent d'un milieu à indice de réfraction élevé à un milieu à indice de réfraction inférieur, il y a un angle critique au-dessus duquel la lumière se courbe suffisamment pour qu'aucune d'elle ne se déplace dans l'autre milieu. C'est ce qu'on appelle la réflexion interne totale.
L'angle critique est l'angle incident pour lequel le rayon sortant a un angle de réfraction de 90 degrés. Donc
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Aux angles supérieurs à l'angle critique, toute la lumière subit une réflexion interne totale.
La réflexion interne totale explique pourquoi, sous un certain angle, la surface eau/air dans un aquarium, lorsqu'elle est observée d'en bas, ressemblera à un miroir parfait. L'air a un indice de réfraction beaucoup plus faible que l'eau, et donc les ondes lumineuses à un angle faible par rapport à la surface d'en bas se reflétera sur la surface au lieu de se réfracter à travers elle, créant un miroir.
Une réflexion interne totale peut également se produire dans les ondes d'eau et les ondes sonores.
Lentilles
La réfraction de la lumière dans un milieu peut changer lorsque la surface entre les milieux est courbée. En fait, la lumière provenant de la même direction se réfractera sous différents angles selon l'endroit de la surface incurvée qu'elle frappe.
Les lentilles sont des morceaux de matériau transparent avec des côtés incurvés qui utilisent la réfraction pour affecter le chemin de la lumière. Une lentille convergente est plus épaisse au milieu, permettant aux rayons lumineux entrant d'un côté de la lentille de converger vers un point focal de l'autre côté. C'est ce qu'utilisent les loupes et certains télescopes.
Une lentille concave est plus mince au milieu qu'elle ne l'est sur les bords, et les rayons lumineux entrant d'un côté sont réfractés vers l'extérieur et s'écartent lorsqu'ils émergent de l'autre côté.
Les deux types de lentilles sont utilisées dans la vision corrective, que ce soit dans des lunettes ou des contacts, selon le problème oculaire.
Exemples
Nos yeux interprètent la lumière par réfraction. La lumière pénètre dans la cornée puis dans le cristallin, se réfractant en un point précis de la rétine. L'image est ensuite transmise au cerveau par le nerf optique. Les yeux larmoyants entraînent une vision floue en raison des propriétés réfractives des larmes.
Tout ce qui contient des fibres optiques repose sur une réflexion interne totale. Les fibres ont un indice de réfraction élevé et sont entourées d'un matériau à très faible indice de réfraction. Lorsque la lumière traverse la fibre, son angle avec l'extérieur de la fibre est suffisamment faible pour l'empêcher de s'échapper. Cela permet à la fibre de transporter une lumière très focalisée sur une grande distance. La fibre optique est principalement utilisée dans les services Internet et téléphoniques.
Les arcs-en-ciel sont causés par la réfraction et la réflexion de la lumière du soleil sur les gouttelettes d'eau dans l'air. Cela peut se produire après des orages ou dans des conditions brumeuses, mais aussi près des cascades et des fontaines. Comme mentionné précédemment, différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière ont des indices de réfraction légèrement différents pour un matériau donné, ce qui les fait se réfracter à des angles différents. Un observateur voit alors un arc-en-ciel de couleurs, par ordre de longueur d'onde.
La réfraction est la raison pour laquelle l'eau d'un étang semble moins profonde qu'elle ne l'est en réalité. Dès que la lumière de l'air pénètre dans l'eau, elle se plie à un angle plus faible par rapport à la surface en raison de la réfraction. Pour un observateur du côté « air » de la surface, il semble que tout ce qui se trouve sous la surface soit moins profond, car la lumière est courbée à des angles moins profonds.
L'angle critique influence également la façon dont les pierres précieuses sont taillées. Une pierre précieuse peut être taillée de telle sorte que la lumière qui y pénètre subisse une réflexion interne totale lorsqu'elle frappe les facettes arrière, émergeant à nouveau par l'avant de la pierre pour la faire paraître plus brillante. Le diamant, avec un indice de réfraction élevé, est particulièrement idéal pour cela, ce qui en fait une pierre précieuse populaire.