Chapitre #4: Réflexion et réfraction de la lumière
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4.1 Le spectre électromagnétique • • • • • • • La lumière visible Le rayonnement ultraviolet Le rayonnement infrarouge Les micro-ondes Les signaux radio et TV Les rayons X Les rayons gamma 400nm-700nm 10nm-400nm 700nm-1mm 1mm-15cm 15cm-2km 0,01nm-1nm ? – 0,01 nm 4.2 L’optique géométrique • Applicable si la lumière se propage en ligne droite (pas de diffraction: a >>λ) • Un rayon est la direction de propagation de la lumière. • Un rayon est équivalent à un mince faisceau de lumière. 4.2 Approximations: • La lumière se propage en ligne droite, sous forme de rayon, un faisceau de lumière très étroit, perpendiculaire au front d ’onde, qui nous indique le trajet suivi par l ’énergie de l ’onde; • La lumière ne subit aucune déviation lorsqu ’elle frôle un objet. 4.3 La réflexion • Réflexion diffuse: dans toutes les directions. Visible dans toute les directions. • Réflexion spéculaire: dans une seule direction défini par la loi de la réflexion (L’angle d’indicence = angle de réflexion, les 2 rayons + normale dans un même plan d’incidence perpendiculaire à la surface). Visible dans une seule direction. 4.3 Loi de la réflexion Soit une surface séparant deux milieux différents, un rayon incident, la normale perpendiculaire à la surface et partant du point où le rayon frappe la surface, et un rayon réfléchi partant de ce même point de contact: Rayon incident Milieu 1 Milieu 2 Normale qi qr Rayon réfléchi 4.3 Le principe de Huygens • Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites ondes secondaires circulaires. À un instant ultérieur, la superposition des ondes secondaires forme un nouveau front d’onde. (Voir simulation) 4.4 La réfraction • Définition: Changement de direction que subit la lumière en traversant la surface de séparation entre deux milieux. • Loi de la réfraction: Soit une surface séparant deux milieux différents, un rayon incident, la normale perpendiculaire à la surface et partant du point où le rayon frappe la surface, un rayon réfléchi partant de ce même point de contact et un rayon réfracté partant lui aussi de même point: Rayon incident Milieu 1 Milieu 2 Normale qi qr Rayon réfléchi n1 n2 Rayon qr' réfracté n1 et n2 sont les indices de réfraction de chacun des milieux, et n2>n1. L ’indice de réfraction est une caractéristique de chaque milieu et est égal au rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et celle dans ce milieu (v): n=c/v. 4.4 Loi de la réfraction (Snell-Descartes) • n1 sin qi = n2 sin qr’ ; • n1 sin q1 = n2 sin q2 ; • La normale et les rayons incident, réfléchi et réfracté sont tous dans le même plan. • Longueur d ’onde réfractée: 1 n2 2 n1 4.4 Loi de la réfraction (Snell-Descartes) * La loi de la réfraction est indépendante du sens (A vers B ou B vers A) dans lequel la lumière traverse la surface entre les 2 milieux. Rayon A Normale qA nA nB Milieu A Milieu B qB Rayon B 4.5 Réflexion totale interne Lorsque la lumière passe d ’un milieu 1 plus réfringent à un milieu 2 moins réfringent (n1>n2), le rayon s ’éloigne de la normale en changeant de milieu: n1 sin q1=n2 sinNormale q2. Rayon incident q1 n1 n2 Milieu 1 Milieu 2 q2 Rayon réfracté 4.5 Réflexion totale interne Pour un certain angle d ’incidence (angle critique), l ’angle réfracté sera de 90 degrés: n1 sin qc = n2. Rayon incident Milieu 1 Milieu 2 Normale qc n1 n2 Rayon réfracté 4.5 Réflexion totale interne Si l ’angle d ’incidence est supérieur à l ’angle critique, le rayon réfracté ne sortira pas du milieu 1. Il sera alors réfléchi dans ce milieu, selon les lois de la réflexion. Normale Rayon incident Milieu 1 Milieu 2 qi Rayon réfléchi qr n1 n2 4.8 Formule des miroirs 1 1 1 p q f • p et q sont positifs pour des grandeurs réelles, négatifs pour des grandeurs virtuelles; • f est positif pour un miroir concave (creusé), négatif pour un miroir convexe (bombé). 4.8 Formule des miroirs q m p •Si m est positif, l ’image est droite (même sens que l ’objet); •Si m est négatif, l ’image est renversée; •Si m>1, l ’image est agrandie; •Si m<1, l ’image est réduite. 4.6 Le prisme et la dispersion •La lumière est dispersée parce que chaque couleur (longueur d ’onde) a un indice de réfraction différent des autres couleurs. 4.7 Image formée par miroir plan • Si on place un objet O devant un miroir, on observera la formation d ’une image I. En fait, à chaque point de l ’objet correspond un point de l ’image. • La distance p miroir-objet est égale à la distance q miroir-image. • Horizontalement, la gauche et la droite semblent interverties. 4.8 Tracé des rayons principaux • Rayon 1: Un rayon passant par le centre de courbure du miroir donne un rayon réfléchi sur lui-même. • Rayon 2: Un rayon parallèle à l ’axe optique donne un rayon réfléchi passant par le foyer. • Rayon 3: Un rayon passant par le foyer donne un rayon réfléchi parallèle à l ’axe optique. • Rayon 4: Un rayon tombant au centre du miroir donne un rayon réfléchi qui fait le même angle avec l ’axe optique. 4.8 Tracé des rayons principaux • L ’image est toujours visible par l ’œil. • L ’objet et l ’image peuvent être réels ou virtuels. • Dans le cas d ’une image réelle, elle se formera sur un écran placé au bon endroit; elle sera visible à l ’œil, en autant que ce dernier soit situé à une distance plus grande que l ’objet. • Une image virtuelle est visible par l ’œil, mais impossible à recueillir sur un écran.
