La lumière ne voyage pas à la même vitesse dans l'air, le verre et l'eau. La vitesse de la lumière dans l'air est de 3 X 10 6 m/s. Dans l'eau, elle est de 2,25 × 10 8 m/s et dans le verre de 2 x 10 8 m/s. En effet, le verre est optiquement plus dense que l'eau et l'eau est optiquement plus dense que l'air. Un milieu est dit plus dense si la vitesse de la lumière diminue et il est dit plus rare si la vitesse de la lumière augmente.
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu. mais lorsqu'un rayon lumineux se déplaçant dans un milieu transparent tombe obliquement sur la surface d'un autre milieu transparent, il se propage dans l'autre milieu selon une trajectoire rectiligne mais différente de sa direction initiale. Le changement de direction du trajet de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre s'appelle la réfraction de la lumière.
Un rayon lumineux tombant sur la surface qui sépare deux milieux. \(\angle i\) est l'angle d'incidence entre le rayon incident et la normale et \(\angle r\) est l'angle de réfraction entre le rayon réfracté et la normale. La déviation est l'angle entre la direction du rayon réfracté et la direction du rayon incident. Donc, \(\angle\delta\) = \(\mid \angle i - \angle r \mid\)
La réfraction de la lumière obéit à deux lois dites de réfraction de Snell.
\(\mu = \frac{3 X 10 ^8ms^{-1}}{2.25 X 10 ^8 ms{-1}} = \frac{4}{3} = 1.33\)
Remarque : Aucun milieu ne peut avoir un indice de réfraction inférieur à 1.
Indice de réfraction (µ) de certaines substances courantes
| Matières | µ | Matières | µ |
| Vide | 1,00 | Air | 1,00 |
| Glace | 1.31 | Eau | 1.33 |
| De l'alcool | 1.37 | Glycérine | 1,47 |
| Verre ordinaire | 1.5 | Kérosène | 1.41 |
Question 1 : Quelles sont les conditions pour qu'un rayon lumineux passe sans être dévié lors de la réfraction.
Solution : Il y a deux conditions - (1) lorsque l'angle d'incidence est égal à 0. (2) Lorsque l'indice de réfraction des deux milieux est le même.
Principe de réversibilité Si l'indice de réfraction du milieu 2 par rapport au milieu 1 est \(_1\mu_2= \frac{sin \ i}{sin \ r}\) et que l'indice de réfraction du milieu 1 par rapport au milieu 2 est alors \(_2\mu_1 = \frac{sin \ r}{sin \ i }\) , alors \(_1\mu_2 \times _2\mu_1 = 1\) ou on peut dire \(_1\mu_2 = \frac{1}{_2\mu_1}\) |
Question 1 : Si l'indice de réfraction du verre par rapport à l'air est de 3/2, alors quel est l'indice de réfraction de l'air par rapport au verre ?
Solution : a µ g = 3/2, donc g µ a vaut \(\frac{1}{^3/_2} = \frac{2}{3}\) .
Vitesse: Lorsqu'un rayon de lumière est réfracté d'un milieu plus rare à un milieu plus dense, la vitesse de la lumière diminue tandis que s'il est réfracté d'un milieu plus dense à un milieu plus rare, la vitesse de la lumière augmente.
Fréquence : la fréquence de la lumière dépend de la source de lumière, elle ne change donc pas lors de la réfraction.
Longueur d'onde : La vitesse de la lumière v dans un milieu, la longueur d'onde de la lumière λ dans ce milieu et la fréquence de la lumière f sont liées comme v = fλ.
Lorsque la lumière passe d'un milieu plus rare à un milieu plus dense, la longueur d'onde diminue et lorsque la lumière passe d'un milieu plus dense à un milieu plus rare, la longueur d'onde augmente.
(1) La profondeur de l'eau dans un navire, vue du ciel, semble être moins
La profondeur réelle est OS. Un rayon lumineux partant du point O et tombant verticalement sur la surface eau-air, voyage tout droit le long de SA. Un autre rayon OQ incident sur la surface eau-air au point Q lorsqu'il passe dans l'air, s'écarte de la normale NQ et suit le trajet QT. Lorsque le rayon QT est produit en retour, les deux rayons réfractés se rencontrent au point P. Ainsi P est l'image de O. Ainsi, pour l'observateur, la profondeur du vaisseau semble être SP au lieu de SO en raison de la réfraction de la lumière de l'eau à l'air. .
(2) Lever de soleil tôt et coucher de soleil tardif
(3) Mirage dans le désert
Parfois, dans les déserts, on voit une image inversée d'un arbre qui donne une fausse impression d'eau sous l'arbre. C'est ce qu'on appelle mirage. La cause du mirage est due à la réfraction de la lumière. Comme dans le désert, le sable se réchauffe très rapidement c'est pourquoi la couche d'air qui est en contact avec le sable se réchauffe. En conséquence, l'air près du sol est plus chaud que les couches d'air supérieures. En d'autres termes, les couches supérieures sont plus denses qu'en dessous ! Lorsqu'un rayon de lumière du soleil après réflexion par le haut d'un arbre se déplace d'une couche plus dense à une couche plus rare, il s'éloigne de la normale. Ainsi en réfraction à la surface de séparation des couches successives, à chaque fois l'angle de réfraction augmente et l'angle d'incidence du rayon allant du plus dense au plus rare augmente également jusqu'à atteindre 90°. Lors d'une augmentation supplémentaire de l'angle d'incidence d'une couche plus dense à une couche plus rare, la réflexion est complète et maintenant la lumière réfléchie se déplace d'un milieu plus rare à plus dense, d'où elle se plie vers la normale à chaque réfraction. En atteignant l'œil de l'observateur, une image inversée de l'arbre est vue.
Lorsque le rayon incident AB tombe sur une plaque de verre, il est incident sur le point d'incidence B. Le rayon AB pénètre de l'air vers le verre, il se courbe donc vers la normale et suit le trajet BC. Lorsque le rayon réfracté BC frappe à nouveau la surface du verre au point C, il s'éloigne de la normale lorsque le rayon se déplace du verre vers l'air et suit le chemin CD. Le rayon émergent CD est parallèle au rayon incident AB. Ainsi rayon émergent et rayon incident sont dans la même direction mais décalés latéralement.
Un prisme est un milieu transparent délimité par cinq surfaces planes de section triangulaire. Deux surfaces opposées du prisme sont des triangles identiques tandis que les trois autres surfaces sont rectangulaires et inclinées l'une sur l'autre.
Lorsqu'un rayon lumineux d'une seule couleur tombe sur la surface inclinée du prisme, le rayon incident PQ tombe sur la face du prisme, il se déplace de l'air vers le verre de sorte qu'il se plie vers la normale et parcourt le chemin QR. Lorsque le rayon réfracté QR frappe la face du prisme en R, une autre réfraction se produit. Maintenant, le rayon QR passe du verre à l'air, il s'écarte de la normale et se déplace dans la direction RS. Ainsi, en traversant le prisme, le rayon lumineux se courbe vers la base du prisme.
