Optique -réfraction..

Optique (4TTR)-M. Bombart
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Notions d’optique
1. Notions de réfraction de la lumière
1.1. Définition .
Quelques mots de vocabulaire
1) rayon incident : rayon avant réfraction
2) rayon réfracté : rayon dévié
3) La déviation s'opère juste en un point que l'on appelle point d'incidence. Ce point
appartient à la surface qui sépare les deux milieux.
4)Une telle surface est nommée dioptre.
5) La normale est la droite perpendiculaire au dioptre au point d'incidence
Localisez sur la figure les différents mots définis ci-dessus .
La réfraction est la déviation des rayons lumineux passant obliquement d'un milieu
transparent dans un autre.

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1.2) Notions de milieu réfringent
1.2. 1) Si i > r
Si l'angle de réfraction ( r ) est plus petit que l'angle d'incidence (i), on dit que le
second milieu est plus réfringent que le premier milieu traversé et ,
inversément :
1.2.2) Si r > i,
alors le deuxième milieu est moins réfringent que le premier.
2. Lois de la réfraction
2.1) Expérience
î
r
sin ( î )
sin ( r )
sin ( î ) / sin ( r )
10°
6.5°
0.17365
0.11350
1.53
20°
12.5°
0.34202
0.21644
1.58
30°
19°
0.50000
0.32557
1.54
40°
25°
0.64279
0.42262
1.52
50°
30°
0.76604
0.50000
1.53
L'eau et le verre sont plus réfringents que l'air et l'eau est moins réfringente que le verre.
Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu A vers un milieu B plus réfringent, il se
rapproche de la normale.
Si le milieu B est moins réfringent, il s'écarte de la normale.

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60°
34.5°
0.86603
0.56641
1.53
70°
37.9°
0.93969
0.61417
1.53
80°
40°
0.98480
0.64366
1.53
Nous constatons que sin ( î ) / sin ( r ) = à une valeur constante
1) Première loi :
Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans un même plan
2) Deuxième loi ou loi de Descartes
Quand on fait varier l'angle d'incidence, il existe un rapport constant entre les
sinus des angles d'incidence et de réfraction. Ce rapport constant dépend
toutefois des deux milieux traversés par le rayon lumineux.
n = n2 / n1
n1 et n2 étant les indices des milieux par rapport au vide.
Ils ont été déterminés en comparant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré et
la vitesse de la lumière dans le vide (pour rappel : 300000 km/s).
n = c / v
avec c = 300000km/s et v = vitesse lumière dans le milieu.
Voici les indices de réfraction les plus courants :
n air = 1.0003
n eau = 1.33 = 4/3
n diamant = 2.42
n verre (quartz fondu) = 1.46
n plexiglas = 1.51
sin ( i ) / sin ( r ) est une constante appelée indice de réfraction du second milieu
par rapport au premier. On le symbolise par n.

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On démontre que
où n1 est l’indice de réfraction du milieu incident , i :l’angle d’incidence , n2 est l’indice du
milieu réfracté et r est l’angle de réfraction
Ceci nous montre également que si l'angle d'incidence est nul (rayon perpendiculaire au
dioptre), l'angle de réfraction sera nul.
(propriété des sinus en mathématiques)
3) Notions d’angle limite et de réflexion totale
3.1) Angle limite
Considérons le passage d'un rayon lumineux de l'air dans l'eau (rappel : l'eau est un milieu
plus réfringent que l'air; le rayon réfracté va se rapprocher de la normale).
Plus l'angle d'incidence est grand, plus la déviation du rayon lumineux est importante. Pour
un angle d'incidence de 90°, c'est-à-dire lorsque le rayon incident « rase » la surface de l'eau,
l'angle de réfraction atteint sa valeur maximum : c'est « l'angle limite de réfraction »
Si on sait que sin (90°) = 1, la formule ci-dessus donne la valeur de l'angle limite.
Ainsi, lorsque la lumière entre dans l'eau, elle y délimite un cône dont l'angle au sommet vaut
deux fois 48°, soit 96°. En dehors de ce cône, il n'y a pas de lumière.
n étant un rapport entre les indices de réfraction des milieux traversés, nous pouvons conclure
que l'angle limite de réfraction dépend des deux milieux traversés par la lumière.
n1 sin ( i ) = n2 sin ( r )
sin i / sin r = n => sin r = sin i / n
or n = 4/3 => sin r = 3/4 => r = 48°

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LA REFRACTION DE LA LUMIERE
1° Introduction
Si nous plaçons une latte rigide dans un aquarium rempli
d'eau et si nous regardons la latte par au-dessus, nous avons
l'impression qu'elle est brisée. Sortons la de l'eau, elle est
intacte.
Pourquoi la latte semblait-elle brisée lorsqu'elle était dans
l'eau ?
2° Définitions
Versons dans une cuve transparente de l'eau contenant de la fluoréscéine (l'eau est
jaune fluo). Utilisons une source lumineuse et envoyons un faisceau cylindrique sur la
surface libre du liquide.
Nous constatons deux choses :
1. une petite partie de la lumière est réfléchie : c'est le phénomène de réflexion
partielle.
2. une majeure partie du faisceau pénètre dans l'eau avec un changement de
direction; le faisceau semble brisé
Ce phénomène par lequel la lumière change de direction lorsqu'elle passe d'un milieu
transparent à un autre, s'appelle la réfraction.
DEFINITION
La réfraction est la déviation des rayons lumineux
passant obliquement d'un milieu transparent dans un
autre.
VOCABULAIRE