⚛ Physique-Chimie · Physique Seconde Générale · Chapitre 6

La réfraction de la lumière

Réfraction, indice de réfraction, lois de Snell-Descartes, réflexion et dispersion.

1. Le phénomène

Définition · Réfraction

La réfraction est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle traverse la surface de séparation (le dioptre) entre deux milieux transparents différents. C'est pourquoi une paille semble « cassée » dans un verre d'eau.

Définition · Indice de réfraction

L'indice de réfraction d'un milieu est $n = \dfrac{c}{v}$, où $c$ est la vitesse de la lumière dans le vide et $v$ sa vitesse dans le milieu. $n \geq 1$ ; $n_\text{air} \approx 1{,}00$, $n_\text{eau} = 1{,}33$, $n_\text{verre} \approx 1{,}5$.

air (n? = 1,00)verre (n? = 1,5)i?i?normalerayon incidentrayon réfractérayon réfléchi
Passage de l'air au verre : le rayon réfracté se rapproche de la normale (i? < i?). Une partie de la lumière est aussi réfléchie.

2. Lois de Snell-Descartes

Propriété

  1. Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence (plan formé par le rayon incident et la normale).
  2. Les angles, mesurés par rapport à la normale, vérifient :
$$n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2$$

Propriété · Conséquence

En passant dans un milieu plus réfringent ($n_2 \gt n_1$), le rayon se rapproche de la normale ($i_2 \lt i_1$). Dans le cas inverse, il s'en écarte.

Attention · Les angles

Les angles se mesurent toujours par rapport à la normale (perpendiculaire à la surface), jamais par rapport à la surface elle-même.

Propriété · Réflexion

Une partie de la lumière est réfléchie : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence.

Expérience · Vérifier la loi de Snell-Descartes

Matérielsource laser (ou lanterne à fente), demi-cylindre de plexiglas posé sur un disque gradué en degrés.
ProtocoleOn dirige le rayon vers le centre de la face plane du demi-cylindre. Pour plusieurs angles d'incidence $i_1$ (de $0°$ à $80°$), on relève l'angle de réfraction $i_2$. On trace $\sin i_1$ en fonction de $\sin i_2$.
disque gradué0,20,40,60,20,40,60,810sin i?sin i?
Demi-cylindre sur disque gradué, et courbe sin i? = f(sin i?) : une droite passant par l'origine.
ObservationLes points $(\sin i_2\,;\,\sin i_1)$ sont alignés sur une droite passant par l'origine, de coefficient directeur $1{,}5$.
Interprétation$\sin i_1 = 1{,}5 \sin i_2$ : c'est la loi de Snell-Descartes avec $n_1 = 1{,}00$ et $n_2 = 1{,}5$, l'indice du plexiglas.

3. Dispersion

Propriété

L'indice d'un milieu dépend de la couleur (longueur d'onde) : un prisme disperse la lumière blanche en un spectre coloré. C'est aussi l'origine de l'arc-en-ciel.

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Exercices corrigés

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1

Air vers eau

★★☆

Un rayon passe de l'air ($n_1 = 1{,}00$) à l'eau ($n_2 = 1{,}33$) avec un angle d'incidence de $45^\circ$. Calculer l'angle de réfraction.

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2

Retrouver un indice

★★☆

Un rayon arrive de l'air avec $i_1 = 30^\circ$ sur un plexiglas et il est réfracté avec $i_2 = 19{,}5^\circ$. Calculer l'indice du plexiglas.

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3

Vitesse de la lumière dans le verre

★☆☆

Calculer la vitesse de la lumière dans un verre d'indice $1{,}5$ ($c = 3{,}00 \times 10^8$ m/s).

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4

Incidence normale

★☆☆

Un rayon arrive perpendiculairement à la surface de l'eau ($i_1 = 0^\circ$). Est-il dévié ?

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5

Indice de l'eau

★☆☆

La lumière se propage dans l'eau à $2{,}26 \times 10^8$ m/s. Calculer l'indice de l'eau.

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6

Angle mesuré par rapport à la surface

★★☆

Un rayon fait un angle de $60^\circ$ avec la surface d'un verre ($n = 1{,}5$). Calculer l'angle de réfraction.

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7

Eau vers air

★★☆

Un rayon passe de l'eau ($n = 1{,}33$) à l'air avec $i_1 = 30^\circ$. Calculer $i_2$. Le rayon se rapproche-t-il de la normale ?

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8

Réflexion totale

★★★

Même situation avec $i_1 = 60^\circ$. Calculer $1{,}33 \sin 60^\circ$. Que se passe-t-il ?

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9

Paille dans un verre

★☆☆

Pourquoi une paille plongée dans un verre d'eau paraît-elle brisée ?

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10

Angle de réflexion

★☆☆

Un rayon arrive sur un miroir avec un angle d'incidence de $35^\circ$. Quel est l'angle de réflexion ?

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11

Comparer deux milieux

★★☆

Pour un même angle d'incidence dans l'air, un rayon est plus dévié en entrant dans le diamant ($n = 2{,}42$) que dans le verre ($n = 1{,}5$). Justifier avec $i_1 = 40^\circ$.

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12

Exploiter la courbe

★★☆

Dans l'expérience du cours, pour $\sin i_2 = 0{,}40$, que vaut $\sin i_1$ ? Quel est l'angle $i_1$ correspondant ?

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13

Pêcheur

★★☆

Un pêcheur au harpon doit-il viser au-dessus ou au-dessous du poisson qu'il voit ? Justifier.

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14

Dispersion dans un prisme

★★☆

L'indice d'un verre vaut $1{,}51$ pour le rouge et $1{,}53$ pour le violet. Pour $i_1 = 60^\circ$ dans l'air, calculer les deux angles de réfraction.

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15

Fibre optique

★★☆

Comment la lumière reste-t-elle guidée dans une fibre optique ?

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16

Construire le rayon réfracté

★★☆

Un rayon passe de l'air à l'eau ($n = 1{,}33$) avec $i_1 = 60^\circ$. Calculer $i_2$ puis décrire la construction.

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17

Loi en tableur

★★☆

Dans un tableur, A2 contient $i_1$ en degrés. Quelle formule donne $i_2$ en degrés pour un passage de l'air au verre ($n = 1{,}5$) ?

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18

Indice inconnu

★★★

Un rayon passe de l'eau ($n = 1{,}33$) à un liquide inconnu avec $i_1 = 40^\circ$ et $i_2 = 35^\circ$. Calculer l'indice du liquide.

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19

Mirage

★★★

Par temps chaud, on croit voir des flaques d'eau sur la route. Sachant que l'indice de l'air diminue quand il est plus chaud, proposer une explication.

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) L'indice de réfraction est toujours inférieur à 1. b) Plus l'indice est grand, plus la lumière est lente. c) Les angles se mesurent par rapport à la surface.

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Vérifier

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