Chapitre 4Réflexion et réfraction de la lumière

4.1 Le spectre électromagnétique

• Les signaux radio et TV 15cm-2km

• Les micro-ondes 1mm-15cm

• Le rayonnement infrarouge 700nm-1mm

• La lumière visible 400nm-700nm

• Le rayonnement ultraviolet 10nm-400nm

• Les rayons X 0,01nm-10nm

• Les rayons gamma ? – 0,01 nm

83 10 300000c f f c c f c m s km s

4.1 (suite)

4.2 L’optique géométrique

• L’optique géométrique est une approximation qui suppose que la lumière se propage en ligne droite sous forme de rayons

• Un rayon est un faisceau de lumière très étroit, perpendiculaire au front d ’onde, qui nous indique la direction de propagation de la lumière.

• Cette approximation est valable si les dimensions d’un appareil sont très supérieures à la longueur d’onde utilisée. Selon ce modèle, la lumière ne subit aucune déviation lorsqu ’elle frôle un objet (pas de diffraction: a >>λ). a

a

Rayon

Front d'onde

4.3 La réflexion• Réflexion diffuse: dans toutes les directions. Visible dans toute les

directions.• Réflexion spéculaire: dans une seule direction défini par la loi de la

réflexion (L’angle d’indicence = angle de réflexion, les 2 rayons + normale dans un même plan d’incidence perpendiculaire à la surface). Visible dans une seule direction.

i r

NormaleRayon incident Rayon

réfléchi

i r

4.3 Principe de Huygen appliqué à la réflexion

Principe de Huygen: Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites ondes secondaires circulaires. À un instant ultérieur, la superposition des ondes secondaires forme un nouveau front d’onde.

i r

i

r

Front d’onde réfléchi Front d’onde

incident

Rayon incident

Rayon réfléchi

Milieu 1

Milieu 2

i r

Simulations 1

4.4 La réfraction• Définition: Définition: Changement de direction que subit la lumière en traversant la

surface de séparation entre deux milieux.

• Loi de la réfraction: Loi de la réfraction: Soit une surface séparant deux milieux différents, un rayon incident, la normale perpendiculaire à la surface et partant du point où le rayon frappe la surface, un rayon réfléchi partant de ce même point de contact et un rayon réfracté partant lui aussi de même point:

1 1 2 2sin sinn n

i

r

Normale

Rayon incident

Rayon réfracté

Milieu 2Milieu1

n1 et n2 sont les indices de réfraction de chacun des milieux, et n2 > n1. L’indice de réfraction est une caractéristique de chaque milieu et est égal au rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et celle dans ce milieu (v): n = c/v.

Loi de Snell-Descartes:0 1n n nn c v

0 nn

Simulation 1

4.4 La réfraction (suite)

4.4 Principe de Huygen appliqué à la réfraction

1 1

2

1 1 2

2

1 1 1 1 1 2

2 2 2 2 2 1

2

sin

sin

sin

sin i

s

n

in

s

d

d

v T

n

v c n n

v v c n n

n

T

Simulations 1, 2

Front d’onde réfracté

Front d’onde incident

Rayon incident

Rayon réfracté

12

1

Milieu 1

Milieu 2

2

1

2

d

2

1

4.5 Réflexion totale interne

1 1 2 2

0

1

sin sin

sin 1sin 90

sin 1

i c

c i

n n

n

n

1 0

1 0

: sin 1 1.5 42

: sin 1 1.33 49

c

c

Verre

Eau

Simulations 1, 2, 3

90o

4.5 Réflexion totale interne (suite)

Simulation 1

4.6 Le prisme et la dispersion

En général, l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde. En conséquence, l’angle de réfraction varie selon la couleur, ce qui permet de à un prisme de décomposer la lumière blanche.

Voir l’exemple 4.7.

Simulations 1, 2, 3, 4