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.
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 :
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.
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).
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.
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.
• 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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