La réfraction

–Avez-vous déjà remarqué qu'une petite cuillère plongée dans un verre d'eau

paraît cassée...

• Lorsque la lumière passe d'un milieu dans un autre, elle est déviée. Ce

phénomène se nomme : réfraction de

la lumière.

Remarque :

• Chaque milieu transparent est caractérisé par une valeur que l'on appelle l'indice (noté n) qui n'a pas d'unité.

• Exemples : – L'air : n= 1,0– L'eau : n= 1,33– Le plexiglas : n=1,5– Le verre : n=1,6

Exemple : un rayon lumineux passe de l'air dans l'eau selon le schéma :

Air : n1=1,0

Eau : n2=1,33

• Le rayon qui traverse le premier milieu (noté milieu 1 d'indice n1) est appelé rayon incident.

• Pour connaître l'angle sous lequel le rayon lumineux arrive sur la surface de séparation entre les deux milieux, il faut tracer un trait que l'on nomme la normale.

• Pour tracer la normale (en pointillé), il faut tracer la perpendiculaire à la surface de séparation entre les deux milieux au point où arrive le rayon incident.

Schéma :

Air : n=1,0

Eau : n=1,33

La normale

Rayon incident

• L’angle d’incidence (noté généralement i ou i1) est l’angle entre le rayon incident et la normale.

Schéma :

Air : n=1,0

Eau : n=1,33

i1

• Le rayon lumineux passe dans le milieu 2 (c’est-à-dire l’eau). On a un rayon appelé rayon réfracté.

• L’angle de réfraction (noté généralement r ou i2) est l’angle entre la normale et le rayon réfracté.

Schéma :

Air : n=1,0

Eau : n=1,33

rayon réfracté

Rayon incident

Angle de réfraction

Définition :

• Le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface est appelé : le plan d’incidence.

• Le plan d’incidence est l’écran (ou la feuille où vous tracez les schémas).

Lois de Descartes :

• 1ère loi de Descartes : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.

• 2ème loi de Descartes : L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 sont liés par la relation :

n1 × sin i1 = n2 × sin i2

avec : n1 : indice de réfraction du milieu 1

n2 : indice de réfraction du milieu 2

Remarque :

• Lorsqu’un rayon lumineux arrive perpendiculairement à la surface de séparation entre les deux milieux, il n’est pas dévié.

Milieu 2

Milieu 2

Milieu 1

Remarque :

• Lorsque l’on passe d’un milieu 1 (d’indice n1) à un milieu 2 (d’indice n2), on a :

i1 > i2 si n1 < n2i1 < i2 si n1 > n2.

• Lorsque n1 > n2, si l’angle i1 est trop important, le rayon lumineux n’est plus réfracté, il est réfléchi et ne peut pas passer dans le milieu 2.

Exercice 1 :

• Un rayon lumineux passe du verre dans l’air. L’angle de réfraction est r = 80,0°. Calculer l’angle d’incidence i en prenant n(air) = 1,0 et n(verre) = 1,6.

Faire un schéma de la situation.

Réponse :

• On applique la loi de Descartes :

n1 × sin i = n2 × sin r

→ 1,6 × sin i = 1,0 × sin 80,0

→ sin i = 0,62 donc : i = 38°.

Exercice 2 :

• Calculer l’indice du plexiglas :

51°51°

air

plexiglas

51°

25°

Correction :

• L’angle d’incidence (entre le rayon incident et la normale) est : 90 -51 = 39°

• D’après la loi de Descartes :

n1 × sin i1 = n2 × sin i2

Donc : 1 × sin 39 = n2 × sin 25

On obtient : n2 = 1,49.

Exercice 3 : soit l’expérience :

i

r

• Le demi cylindre est en plexiglas (on prendra n(plexiglas) = 1,5.

1) Pourquoi le faisceau de lumière arrivant sur la face arrondi du cylindre n’est pas dévié lorsqu’il traverse la séparation entre l’air et le plexiglas ?

2) Le rayon arrive sur la surface de séparation plane. Calculer l’angle de réfraction r pour un angle d’incidence i = 30° .

3) Même question que 2) pour i = 60°.

Réponse :

• Question 1 : lorsque la surface de séparation n’est pas plane. Il faut tracer la tangente au point où arrive le rayon. Cette tangente correspond à la surface de séparation en ce point.

• En traçant la normale, on constate qu’elle est confondue avec le rayon incident donc le rayon arrive perpendiculairement à la surface de séparation donc le rayon n’est pas dévié.

i

r

tangente

• Question 2 :On trouve d’après Descartes : 1,5 × sin 30 =

1,0 × sin r donc : r = 48,6°.• Question 3 :• On trouve d’après Descartes : 1,5 × sin 60

= 1,0 × sin r donc : sin r = 1,3 > 1. Ce n’est pas possible donc il n’y a pas de rayon réfracté. Le rayon est réfléchi.

Quelques liens pour s’entraîner sur la réfraction :

• http://helium4.fr/quiz/dispersion/• http://ww3.ac-poitiers.fr/voir.asp?p=sc_phy

s/tournier/secondes/physique/Optiq/optiq.htm

FIN