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Par Yasmine Juarez et Atia Choudhry
École La Dauversière, Montréal, juin 2001
Validation du contenu et révision linguistique: Karine Lefebvre
Science
animée, 2001
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Gracieuseté
de
JUAREZ YASMINE
&
CHOUDHRY ATIA
Table des matières
Introduction
Réfraction
Réflexion totale
interne
Fibre optique
Réflexion
Bibliographie
Conclusion
La lumière est une onde électromagnétique transversale se propageant
à la vitesse de 3,0x108 m/s.
Depuis la nuit des temps, elle a fasciné les plus grands savants comme :
Archimède
Pythagore
Euclide
Newton
Hertz
Il existe une quantité impressionnante de phénomènes
causés par la lumière, appelés PHÉNOMÈNES LUMINEUX.
Exemples:
1.Fluorescence
3.Phosphorescence
5.Incandescence
7.Absorption sélective
9.Diffusion
2.RÉFLEXION
4.RÉFRACTION
6.Dispersion
8.Diffraction
DÉFINITION: Changement de direction de la lumière
lorsqu’elle frappe une surface.
EXEMPLE: Un rayon provenant d ’une source lumineuse
frappe un miroir. Il est dévié selon la loi
de la réflexion.
MIROIR
=
i
r
/////////////////
Rayon réfléchi
i = angle incident
r = angle réfléchi
Rayon incident
r i
Normale
Loi de la réflexion
1. Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale sont
dans un même plan.
2. Angle incident = Angle réfléchi
I
N

i
r
R
Air
////////////////////////
miroir
Définition: Changement de direction de la lumière
lorsqu’elle traverse deux milieux de
réfringence différente.
La réfraction est causée par:
Si on considère la lumière comme une onde, le schéma
suivant témoigne du changement de vitesse de celle-ci
lorsqu’elle frappe la surface de séparation de 2 milieux
transparents différents.
Démonstration
(Cliquer ici.)
Si on considère la lumière comme une onde, le schéma
suivant témoigne du changement de vitesse de celle-ci
lorsqu’elle frappe la surface de séparation de 2 milieux
transparents différents.
Front d’onde
Milieu transparent 1
Milieu transparent 2
Reprenons notre définition:
Changement de direction de la lumière
lorsqu’elle traverse deux milieux de
réfringence différente.
LA RÉFRINGENCE EST LA CAPACITÉ D’UN
MILIEU TRANSPARENT DE DÉVIER LA
LUMIÈRE, DONC DE LA RÉFRACTER.
ELLE SE MESURE PAR :
L’INDICE DE RÉFRACTION
Milieux
VIDE
AIR
GLACE
EAU
ALCOOL ÉTHYLIQUE
QUARTZ FONDU
GLYCÉRINE
VERRE (CROWN)
DIAMANT
Indices
1,00
1,003
1,37
1,33
1,36
1,46
1,47
1,52
2,42
Ainsi, le rayon lumineux sera dévié lorsqu’il frappera la
surface entre deux milieux transparents.
Milieu transparent 1
Milieu transparent 2
Trajectoire sans réfraction
rayon incident (I) se propage en ligne droite
Exemple: Un
dans un milieu transparent (air) d’indice de réfraction
n1 et forme un angle d’incidence 1 avec la normale (N).
Il frappe un autre milieu transparent (bloc de verre)
d’indice de réfraction n2.
I

N
n2  n1
1
n1
n2

2
R
N
I
1
n1
Si n2  n1
n2
2
R
1. Le rayon réfracté (R) s’approche de la normale (N).
2. L’angle 2 sera plus petit que l’angle 1.
3. Le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1.
Exemple:
Un rayon incident (I) se propage en ligne droite
dans un milieu transparent (glycérine) d’indice de
réfraction n1 et forme un angle d’incidence 1 avec la
normale (N).
Il frappe un autre milieu transparent (alcool) d’indice
de réfraction n2.
I

n2 < n1
N
1
n1
n2

2
R
N
I
1
n1
n2
2
Si n2  n1
1. Le rayon réfracté (R) s’éloigne de la normale (N).
2. L’angle 2 est plus grand que l’angle 1.
3. Le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1.
R
Loi de la réfraction
1. Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale
sont dans un même plan.
2. Loi de Snell-Descartes:
n1 sin 1 = n2 sin 2
Vous dirigez un rayon lumineux vers la surface d’un lac.
Le rayon pénètre dans l’eau sous un angle d’incidence de
40 degrés.
Quel est l’angle de réfraction?
I
400
n1 sin 1 = n2 sin 2
N
n1 = 1
n2 = 1,33

2
R
n1 sin 1 = sin 2
n2
1 X sin 400 = sin 2
1,33
0,483298 = sin 2
sin-1 0,483298 = 2 = 28,90
Un rayon de soleil vient frapper la surface d’un étang. Un
poisson dans l’eau voit le soleil avec un angle de réfraction
de 36 degrés.
Quel est l’angle d’incidence de ce rayon ?
I

n1 sin 1 = n2 sin 2
N
n2 sin 2 = sin 1
n1
1
n1 = 1
n2 = 1,33
36o
R
1,33 X sin 360 = sin 1
1
0,78175 = sin 1
sin-1 0,78175 = 1 = 51,40
Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à
sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau),
l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter.
Air
Air
Eau
Eau
Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à
sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau),
l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter.
Air
Air
Eau
Eau
Lorsqu’un rayon passe de l’eau à l’air, il est réfracté à
sa sortie de l’eau. Si on augmente l’angle d’incidence (eau),
l’angle de réfraction (air) va aussi augmenter.
Air
Air
Eau
Eau
Puisque l’angle dans l’air est toujours plus grand que l’angle
dans l’eau,air atteindra 90° avant eau.
À cet instant, le rayon réfracté ne fera qu’effleurer la
surface de l’eau.
Pour eau,c’est l’angle critique! Symbole: c
air =90°
Air
c
Eau
Si eau augmente encore et dépasse l’angle critique, le rayon ne
s’échappe plus de l’eau, il est complètement réfléchi par la
surface de séparation.
Ceci est: LA RÉFLEXION TOTALE INTERNE
air
r
=
i
r
i
eau
Loi De La Réflexion
Totale Interne
 1›  c
n1›n2
1
c 
1
2
Lorsque la lumière passe d’un milieu plus réfringent (à indice de
réfraction plus élevé) à un milieu moins réfringent, avec un angle
d’incidence supérieur à l’angle critique, cela produit une réflexion
totale interne.
L’angle critique(c) varie selon le rapport des indices absolus de
deux milieux. Pour le trouver, il faut seulement utiliser l’équation
générale de la réfraction en donnant à l’angle du milieu moins
réfringent une valeur de 90°.
n1 sin 1 = n2 sin 2
air =90°
Air
c
Eau
n1 sin C = n2 sin 900
sin C = n2 sin 900
n1
sin C = 1 X 1 = 0,7518
1,33
sin-1 0,7518 = C = 48,80
Que se passe-t-il au niveau des calculs si 1›c
?
RÉFLEXION TOTALE INTERNE
n1 sin 1 = n2 sin 2
Air
n1 sin 1 = sin 2
n2
1,33 X sin 52
Eau
2 = 52 0
1= 52 0
º
=
sin 2
1
1,04805 = sin 2
sin-1 1,04805 = 2
= ERREUR
Définition: Une fibre optique est un dispositif permettant de
faire suivre à la lumière un parcours courbe.
Diamètre: 50x10-6m
Propriétés: Extrême minceur, donc une très
grande souplesse.
Matériaux: Le cœur de ce fil est constitué d’un
verre d’une très grande transparence, enveloppé
d’un verre ou d’un plastique plus ordinaire d’indice
de réfraction plus bas. La lumière se propage
grâce au cœur du fil.
Réflexion totale interne
Explication: La lumière qui pénètre dans le cœur de la fibre par
une extrémité subit une série de réflexions totales internes sur
ses parois et ressort par l’autre bout avec le même angle.
i
n2
n1
n1›n2
1›c
r
Coeur
Gaine(enveloppe)
Utilités: On assemble les fibres
en faisceaux d’environ 0.5cm de
diamètre, enrobés d’un matériau
protecteur souple et opaque.
On peut courber ces
faisceaux à volonté, ce qui
est d’une utilité inestimable
en microchirurgie.
Et aussi dans tous les
cas où l’on désire
observer de petits
objets dans un
environnement encombré.
La technique de la fibre optique
est aussi utilisée pour
l’observation interne d’organes
vivants.
Rappelons seulement qu’il existe plusieurs phénomènes lumineux,
parmi lesquels :
la Réflexion et la Réfraction.
1: Rayon incident
2: Rayon réfléchi
3: Rayon réfracté
NORMALE
MILIEU
TRANSPARENT #1
MILIEU
TRANSPARENT #2
1
2
3
Réflexion totale interne (Fibres optiques)
Rayon non guidé
Livres
BOUCHARD, Régent. Physique Phénomènes lumineux, Montréal,
LIDEC inc, 1992, 294 p.
ASSELIN,Sylvie, ISSID, Pierre. Physique Une approche structurée
Optique, ondes et physique moderne 301, Montréal, Guérin éditeur
ltée, 1996, 276 p.
Sites internet
Michael Harvey. (Page consultée le 3-4 février 2001). Réflexion,
[En ligne]. Adresse URL: http://www.physics.up.edu.au/cls/
CD-ROM
Agence Science-Presse. (1996, Mars). «Miroir, miroir...».
Québec Science [CD-ROM]. Sainte-Foy, Les Logiciels de
Marque inc., 1997.