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

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

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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 i_lim entre deux milieux d’indice n₁ et n₂ et tel que sin i_lim = 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 < i_lim alors i₁ < i₂.

• Si i₁ > i_lim 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 i_lim l’angle limite tel que sin i_lim = n₂ / n₁).

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