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Réfraction et réflexion totale

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Objectif

Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale pour comprendre le principe physique de la réfraction, pour connaître la loi de la réflexion totale et les applications de celle-ci dans le domaine médical : fibres optiques et fibroscopie.

1. Le phénomène de réfraction

a. Mise en évidence expérimentale

Expérience : Un laser envoie un faisceau lumineux dans de l’eau. Que se passe-t-il ?
On observe une déviation du faisceau lumineux lorsqu’il pénètre dans l’eau. On dit que le faisceau lumineux est réfracté.

b. Etude du phénomène

La réfraction apparaît lorsque la direction de propagation d’une onde change lorsqu’elle traverse une surface de séparation entre deux milieux transparents caractérisés par leur indice de réfraction n.

Les rayons incident et réfracté appartiennent au même plan, appelé plan d’incidence.
Les angles d’incidence et de réfraction sont liés par la loi de Snell-Descartes :

n₁ × sin i = n₂ × sin r

Dans le cas ci-dessus, l’angle d’incidence i est différent de l’angle réfracté r et r < i , car le rayon lumineux passe d’un milieu initial d’indice de réfraction n₁ inférieur à l’indice de réfraction n₂ du second milieu.
Généralement, dans ce cas de figure, une partie du rayon incident est également réfléchi. C’est ce qui se passe par exemple lorsque la lumière du soleil arrive sur la surface de la mer :

Cas particulier : Lorsque le faisceau lumineux arrive perpendiculairement à la surface de séparation de deux milieux, il n’est pas dévié.

2. Le phénomène de réflexion totale

Ce phénomène existe lorsque la réfraction atteint ses limites et n’est plus possible. Ceci est visible quand l’indice de réfraction du milieu initial n₁ est supérieur à l’indice de réfraction du second milieu n₂.

Si on continue d’augmenter l’angle d’incidence, c'est-à-dire si l'angle devient supérieur à l'angle bleu, alors il y a réflexion totale : l’angle d’incidence devient égal à l’angle réfléchi (rayon vert).

3. Application dans le domaine médical : la fibroscopie

Le phénomène de réflexion totale est mis à profit dans les fibres optiques pour guider la lumière ; ces fibres optiques sont des tuyaux de verre ou de plastique transparents très fins et souples qui peuvent se courber. Lorsque la lumière pénètre dans une fibre optique, elle ne peut en sortir que par l’autre bout après une suite de réflexions totales sur les faces de la fibre.
Ce procédé est utilisé dans les télécommunications pour transmettre des informations et dans le domaine médical.

La fibroscopie est une technique d’exploration médicale faite au moyen d’un fibroscope. Il est constitué d’un tube souple dans lequel est intégré une ou plusieurs fibres optiques.

Le fibroscope est équipé :
- d’une caméra qui sert à éclairer le milieu pour aider le médecin à guider le fibroscope et à observer l’état du milieu pour déceler d’éventuels problèmes.
- de systèmes permettant de faire des prélèvements pour des biopsies, pour cautériser des vaisseaux sanguins, pour détruire des calculs, des tumeurs etc.
La fibroscopie est très utilisée pour explorer l’œsophage, le pharynx, les bronches, l’estomac, le côlon etc.

L'essentiel

Lorsque la lumière traverse une surface de séparation de deux milieux transparents, il y a réfraction. La réfraction est régie par les lois de Snell-Descartes :
• les rayons incident et réfracté appartiennent au même plan, appelé plan d’incidence ;
• n₁ × sin i₁ = n₂ × sin i₂.

Lorsque, dans certains cas, la réfraction n’est plus possible, alors il y a réflexion totale. Cette propriété est largement utilisée dans les fibres optiques pour les télécommunications, et en fibroscopie dans le domaine médical.

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