Lorsqu'un rayon de lumière passe d'un milieu à un autre - par exemple lorsqu'il sort d'un étang d'eau ou lorsqu'il passe à travers vos lunettes - vous avez peut-être remarqué qu'il se plie. C'est ce qu'on appelle la réfraction, et cela se produit à différents angles en fonction de la lumière incidente et du matériau. C'est aussi la façon dont les yeux peuvent voir et transmettre des images au cerveau.
La réfraction de la lumière

La réfraction est la flexion des rayons lumineux lorsqu'ils passent d'un médium à un second médium. Elle résulte du fait que la lumière se déplace à des vitesses légèrement différentes sur différents supports. Le degré de réfraction d'un rayon lumineux dépendra de la différence de sa vitesse dans le second milieu par rapport au premier. Plus la différence de vitesse est grande, plus l'angle de réfraction est grand.

Vous pouvez y penser en utilisant le principe du moins de temps. Imaginez un sauveteur essayant d'atteindre un nageur, loin sur le rivage et dans l'eau, dans les plus brefs délais. Elle sait qu'elle peut courir beaucoup plus vite qu'elle ne sait nager. Essayer de rejoindre le nageur en voyageant en ligne droite serait inefficace en raison de sa vitesse de nage lente par rapport à sa vitesse de course; au lieu de cela, elle court sur la plage jusqu'à ce qu'elle soit presque devant le nageur, puis saute dans l'eau.

La distance qu'elle parcourt est plus longue, mais le temps parcouru est plus court en raison de ses différentes vitesses dans différents médiums. C'est ce que fait la lumière lorsqu'elle est réfractée.

Les vagues d'eau peuvent également être réfractées lors de déplacements entre des zones de profondeurs différentes, car les vagues se déplaceront à des vitesses différentes selon qu'elles se trouvent en eau peu profonde ou en eau profonde.
Indice de réfraction

L'indice de réfraction pour un milieu donné est un nombre sans unité n
où n \u003d c /v
, où c
est la vitesse de la lumière dans le vide et v
est la vitesse de la lumière dans le milieu. Plus la lumière se déplace lentement dans un milieu, plus l'indice de réfraction de ce milieu sera élevé. La vitesse d'une onde lumineuse dans un milieu dépendra de sa longueur d'onde, et donc aussi de l'indice de réfraction.

Cela conduit à un phénomène appelé dispersion
, qui peut être vu à la lumière prismes: lorsque la lumière blanche, qui contient des ondes lumineuses de nombreuses longueurs d'onde différentes, pénètre dans un prisme, chaque onde lumineuse composante est réfractée à un angle différent en fonction de sa longueur d'onde. Cela crée l'apparence d'un arc-en-ciel.

L'indice de réfraction dans l'air dépend de nombreux facteurs dont la pression et la température. Les "vagues" émises par des objets chauds comme la chaussée en été se produisent parce que la lumière se réfracte différemment par l'air plus chaud que l'air plus froid, provoquant des images déformées.

De plus, l'air près d'une route chaude en été peut réellement refléter lumière qui vient vers un observateur à un angle peu profond, faisant apparaître comme s'il y avait un miroir ou une surface d'eau réfléchissante sur la route.
La loi de Snell

La loi de Snell relie les indices de réfraction de deux milieux , ainsi que l'angle d'incidence θ _{i
à l'angle de réfraction θ r
, à la manière dont la lumière se plie lorsqu'elle passe d'un milieu dans l'autre.
n_i \\ sin (\\ theta_i) \u003d n_r \\ sin (\\ theta_r)}

Cette équation peut prédire l'angle auquel la lumière se réfractera dans un milieu donné, si les indices de réfraction des deux milieux et l'angle d'incidence est connu. Cela se vérifie dans toute situation impliquant la réfraction de la lumière, avec deux médiums quelconques.
Réflexion interne totale

Si les ondes lumineuses passent d'un milieu avec un indice de réfraction élevé à un milieu avec un indice de la réfraction, il y a un angle critique au-dessus duquel la lumière devient suffisamment courbée pour qu'aucune d'elles ne se déplace dans l'autre milieu. C'est ce qu'on appelle la réflexion interne totale.

L'angle critique est l'angle incident pour lequel le rayon sortant a un angle de réfraction de 90 degrés. Donc θ _{i
\u003d sin ^{-1 ( n i /n r
). À des angles supérieurs à l'angle critique, toute la lumière subit une réflexion interne totale.}}

La réflexion interne totale explique pourquoi, sous un certain angle, la surface eau /air dans un aquarium lorsqu'elle est observée d'en bas ressemblera à un miroir parfait . L'air a un indice de réfraction beaucoup plus faible que l'eau, et donc les ondes lumineuses à un angle peu profond avec la surface par le dessous se refléteront sur la surface au lieu de se réfracter à travers elle, créant un miroir.

La réflexion interne totale peut se produisent également dans les vagues d'eau et les ondes sonores.
Lentilles

La réfraction de la lumière dans un milieu peut changer lorsque la surface entre les médiums est incurvée. En fait, la lumière qui vient de la même direction se réfracte sous différents angles selon l'endroit où elle frappe la surface incurvée.

Les lentilles sont des morceaux de matériau transparent avec des côtés incurvés qui utilisent la réfraction pour affecter le chemin de la lumière . Une lentille convergente est plus épaisse au milieu, permettant aux rayons lumineux entrant d'un côté de la lentille de converger vers un point focal de l'autre côté. C'est ce que les loupes et certains télescopes utilisent.

Une lentille concave est plus mince au milieu qu'elle ne l'est sur les bords, et les rayons lumineux entrant d'un côté sont réfractés vers l'extérieur et se dispersent lorsqu'ils émergent de l'autre. côté.

Les deux types de lentilles sont utilisés dans la vision corrective, que ce soit dans les lunettes ou les contacts, selon le problème oculaire.
Exemples

Nos yeux interprètent la lumière par réfraction . La lumière pénètre dans la cornée puis dans le cristallin, se réfractant en un point précis de la rétine. L'image est ensuite transmise au cerveau par le nerf optique. Les yeux larmoyants entraînent une vision floue en raison des propriétés réfractives des larmes.

Tout ce qui contient des fibres optiques repose sur une réflexion interne totale. Les fibres ont un indice de réfraction élevé et sont entourées d'un matériau à très faible indice de réfraction. Lorsque la lumière traverse la fibre, son angle avec l'extérieur de la fibre est suffisamment faible pour l'empêcher de s'échapper. Cela permet à la fibre de transporter une lumière très focalisée sur une grande distance. Les fibres optiques sont principalement utilisées dans les services Internet et téléphoniques.

Les arcs-en-ciel sont causés par la réfraction et la réflexion de la lumière du soleil sur les gouttelettes d'eau dans l'air. Cela peut se produire après des tempêtes de pluie ou dans des conditions brumeuses, mais aussi près des chutes d'eau et des fontaines. Comme mentionné précédemment, différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière ont des indices de réfraction légèrement différents pour un matériau donné, ce qui les fait réfracter sous différents angles. Un observateur voit alors un arc-en-ciel de couleurs, par ordre de longueur d'onde.

La réfraction est la raison pour laquelle l'eau dans un étang semble moins profonde qu'elle ne l'est vraiment. Dès que la lumière dans l'air pénètre dans l'eau, elle se plie à un angle moins profond par rapport à la surface en raison de la réfraction. Pour un observateur du côté "air" de la surface, il semble que tout sous la surface soit moins profond, car la lumière est courbée à des angles moins profonds.

L'angle critique influence également la façon dont les pierres précieuses sont taillées. Une pierre précieuse peut être taillée de telle sorte que la lumière qui y pénètre subit une réflexion interne totale lorsqu'elle frappe les facettes arrière, émergent à nouveau sur le devant de la pierre pour la faire paraître plus lumineuse. Le diamant, avec un indice de réfraction élevé, est particulièrement idéal pour cela, ce qui en fait une pierre précieuse populaire.