Réflexion et Réfraction de la lumière

Chapitre 20

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Réflexion et Réfraction de la lumière

1 Propagation rectiligne de la lumière.

1.1 Rayon lumineux.

 Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. On appelle Rayon lumineux toute droite selon laquelle la lumière se propage.

1.2 Vitesse de propagation.

Cette vitesse dépend de la nature du milieu que traverse la lumière.

Dans le vide : 3. 10⁸ m/s Dans l’air : 3. 10⁸ m/s Dans l’eau : 2, 25 . 10⁸ m/s Dans le verre : 1,5 . 10⁸ m/s

1.3 Indice de réfraction.

Pour comparer les vitesses de propagation dans un milieu, on utilise l’indice de réfraction, noté n .

n: indice de réfraction du milieu v : vitesse de la lumière dans le milieu c : vitesse de la lumière dans le vide.

Dans le vide : 3. 10⁸ m/s n = 1 Dans l’air : 3. 10⁸ m/s n = 1 Dans l’eau : 2, 25 . 10⁸ m/s n = 1, 33 Dans le verre : 1,5 . 10⁸ m/s n = 1, 5

v

n c

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2 Réflexion et réfraction de la lumière.

A la surface de séparation de deux milieux, la lumière subit une réflexion et une réfraction.

Le rayon arrivant sur la surface s’appelle le rayon incident.

Le rayon renvoyé par la surface s’appelle le rayon réfléchi

Le rayon traversant la surface s’appelle le rayon réfracté ou rayon transmis.

3 Les lois de Descartes de la réflexion.

3.1 1

loi de Descartes.

Le plan contenant le rayon incident et la normale au point d’incidence contient aussi le rayon réfléchi.

3.2 2

loi de Descartes.

L’angle d’incidence est égale à l’angle réfléchi :

i '

i

3.3 Les lois de Descartes de la réfraction.

3.3.1 Position du rayon.

Le rayon réfracté est également situé dans le plan d’incidence. La réflexion de la lumière accompagne toujours la réfraction.

3.3.2 Formule.

3.3.3 Réflexion totale.

 Quand un rayon lumineux se propage d’un milieu  dans un milieu  d’indice plus grand (milieu plus réfringent ), le rayon subit toujours une réfraction.

 Quand un rayon lumineux se propage d’un milieu  dans un milieu  d’indice plus petit, le rayon ne subit plus de réfraction pour un angle

d’incidence supérieur à une certaine valeur : il est alors totalement réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale.

Réflexion totale pour

i

90

1 2

sin1

n

i n cette

angle i1particulier s’appelle l’angle limite de réflexion et se note souvent 2

2 1

1

sin i n sin i

n

Page - 4 - 3.3.4 Application : la fibre optique.

3.3.4.1 Principe

La fibre optique à saut d’indice se compose : D’un cœur de verre d’indice élevé D’une gaine de verre également mais d’indice inférieur à celui du cœur.

D’une gaine externe qui assure la protection mécanique et rigidifie l’ensemble.

La fibre optique permet le passage simultané de plusieurs milliers de signaux.

3.3.4.2 Transmission des signaux.

La transmission utilise le principe de réflexion totale.

 Transmission numérique : le son analogique est converti en numérique. Un rayon laser envoie des éclairs dans la fibre au rythme des 0 et des 1 reçus.

En bout de fibre, le signal est décodé, retransformé en analogique et envoyé dans un haut-parleur.

 Transmission par modulation : le signal sonore est transformé en signal électrique, la variation

d’intensité du signal électrique induit une variation d’intensité lumineuse du laser : c’est la modulation du faisceau laser. A la sortie de la fibre, un photo détecteur fait le travail inverse.

3.3.4.3 Utilisations.

Téléphonie, Internet, Endoscopie médicale, audio, vidéo ….

3.3.5 Explication : les mirages.

C’est la réflexion totale qui est à l’origine des mirages lors des très grandes chaleurs. La température de l’air diminue avec l’altitude ; l’indice de réfraction diminue quand on se rapproche du sol.

Ce phénomène n’a jamais permis de voir des éléphants roses !!!

3.3.6 Explication : le prisme à réflexion totale.

Enveloppe du Bâtiment Page 6

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Exercices

 Exercice 1

 Exercice 2