Propagation de la lumière dans le vide et dans les milieux transparents - Le phénomène de dispersion de la lumière - Maxicours

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Propagation de la lumière dans le vide et dans les milieux transparents - Le phénomène de dispersion de la lumière

Objectif : Définir l’indice d’un milieu, les phénomènes de diffusion, réflexion et réfraction de la lumière. Les lois de Descartes.
1. Indice d’un milieu transparent


2. Diffusion, réflexion et réfraction de la lumière
Lorsqu’une surface renvoie la lumière dans toutes les directions, on dit qu’elle diffuse la lumière : c’est le phénomène de diffusion.

Lorsqu’une surface renvoie la lumière dans une direction privilégiée, on dit qu’elle réfléchit la lumière : c’est le phénomène de réflexion.

Lorsque la lumière traverse une surface de séparation entre deux milieux transparents différents, et qu’elle subit un brusque changement de direction : c’est le phénomène de réfraction.


A la surface de séparation qui sépare 2 milieux transparents d'indices de réfraction différents, on peut observer simultanément les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffusion de la lumière : une partie de la lumière est réfléchie, l’autre est transmise avec un changement de direction (elle est réfractée). Quant à la diffusion, elle se matérialise sous la forme d'une tache de diffusion, observable au « point d'entrée » du faisceau incident dans l'autre milieu.
3. Les lois de Descartes
a. Première loi de Descartes
Le faisceau incident et la normale (la perpendiculaire) à la surface de séparation de 2 milieux transparents définissent un plan d'incidence :
- Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence.
- Le rayon réfracté est dans le même plan incident.
b. Deuxième loi de Descartes


 
4. Réflexion totale
a. La lumière pénètre dans un milieu d’indice plus grand : n2 > n1
Quelque soit la valeur de l’angle d’incidence, lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu d’indice n1 à un autre milieu d’indice n2 tel que n2 > n1 (exemple : passage de l’air à l’eau), il y a toujours un rayon réfracté tel que le rayon réfracté se rapproche de la normale à la surface de séparation (i1>i2) (figure 2).

On dit alors que le second milieu est plus réfringent que le premier.

b. La lumière pénètre dans un milieu d’indice plus petit : n2 < n1
Définissons tout d’abord un angle limite ilim entre deux milieux d’indice n1 et n2 et tel que sin ilim = n2/n1.

Lorsqu’un rayon incident passe d’un milieu d’indice n1 à un autre milieu d’indice n2 tel que n1 > n2 (exemple : passage de l’eau à l’air), il peut y avoir deux cas de figure :

• Si i1 < ilim alors i1 < i2.

• Si i1 > ilim toute la lumière est alors réfléchie : la surface eau-air joue le rôle de miroir : c’est le phénomène de réflexion totale.

L’essentiel

Loi de Descartes de la réflexion : le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence, et l’angle de réflexion a la même mesure que celui d’incidence.

Loi de Descartes de la réfraction : le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.
L’angle d’incidence i1 dans le milieu d’indice n1 et l’angle réfracté i2 dans le milieu n2 sont liés par la relation :
n1 sin i1 = n2 sin i2.

Le phénomène de réflexion totale se produit à la surface de séparation de deux milieux d’indice n1 et n2 lorsque n1>n2 et i1> il (avec ilim l’angle limite tel que sin ilim = n2 / n1).

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