La lumière se propage en ligne droite, sauf dans de nombreux cas; ne parlons pas de la lumière qui est déviée lorsqu'elle touche un corps opaque (réflexion, diffusion,...), mais de la lumière se propageant dans des milieux transparents.

Analysons le document:

• le crayon semble brisé, fracturé au niveau de la surface de l'eau;
• le crayon semble plus gros dans l'eau que dans l'air;
• l'image des stores est déformée par l'eau et le verre;
• le fond du verre a un aspect différent de la table sur lequel il est posé: il est comme argenté.

Dans cette partie, nous étudieront la réfraction dans le cas de surfaces (interfaces) de séparation planes. On parle alors de dioptres plans (dia = à travers, opthesthai = voir, en grec): un dioptre est donc la surface séparant deux milieux transparents différents (l'eau et l'air, par exemple).

• les arêtes verticales du fond F de l'aquarium sont brisées au niveau de la surface S de l'eau;
• l'aquarium semble moins profond sous la surface S de l'eau: le fond F semble plus proche;
• le bord de la table est brisé au niveau des bord gauche G et droit D de l'aquarium, le «paysage» vu à travers l'épaisseur d'eau est déformé;
• les parois G, D et B de l'aquarium ainsi que la partie inférieure de la surface S de l'eau se comportent comme des miroirs.

Modifiez l'amplitude de l'angle d'incidence, observez le passage de la lumière de l'eau dans l'air, de l'air dans l'eau puis dans l'air,...

Observez donc le visage d'un condisciple en partie derrière l'aquarium.

Un demi-cylindre transparent peut être posé sur une feuille de papier. Le trajet du rayon incident, du rayon réfracté et du rayon totalement réfléchi peuvent être repérés (épingles, petits traits au crayon) sur cette feuille: nous avons le schéma en vraie grandeur de diverses manipulations et nous pouvons mesurer l'amplitude des angles avec beaucoup de facilité au moyen d'un rapporteur.

Un minimum de soin et de précision sont requis.

Dirigeons un fin faisceau lumineux de l'air dans le verre et du verre dans l'air; le faisceau lumineux venant du bas et dirigé vers le centre du demi-cylindre n'est pas dévié car il est normal à la surface du verre, il figure donc la lumière passant du verre dans l'air.

Un rayon oblique au dioptre et venant du verre se réfracte en s'écartant de la normale au point d'incidence.

Le retour inverse de la lumière: la lumière conserve les mêmes directions qu'elle passe de l'air dans le verre ou du verre dans l'air.

(Rappelons que l'incertitude des mesures est de l'ordre du degré)

Réalisez un tableau pour le passage de la lumière de l'air dans le verre et un autre pour le passage de la lumière du verre dans l'air (vous pouvez combiner les deux en vertu du principe du retour inverse de la lumière, mais je ne le vous conseille pas); distinguez cependant le phénomène de réfraction et celui de réflexion totale.

Vos résultats ne seront pas plus précis que ceux calculés dans la figure interractive ci-contre: 1 ou 2 degrés de tolérance. Pour plus de précision, cliquez ici.

Vous risquez de ne pas trouver seuls la relation existant entre les valeurs notées.

C'est Descartes qui énonça le premier les lois de la réfraction et c'est Snell qui en rédigea la version que nous connaissons actuellement.

Si vous avez étudié un peu de trigonométrie, la loi suivante ne vous rebutera pas:

sin I ° / sin R' ° = k (une constante)

cette constante est appelée "indice de réfraction" du milieu le plus réfringent par rapport au milieu le moins réfringent (le vide ou l'air, généralement) et est noté n (voyez le tableau des indices de réfraction).

i = rayon incident
r' = rayon réfracté
n = normale au point d'incidence (perpendiculaire au dioptre)
+ = milieu le plus réfringent
- = milieu le moins réfringent

Lois de la réfraction:

1 : Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale au point d'incidence appartiennent à un même plan. Ces rayons sont situés de part et d'autre du dioptre.

2 : Tout rayon incident normal au dioptre n'est pas réfracté.

3 : L'amplitude de l'angle d'incidence et celle de l'angle de réfraction (par rapport à la normale au point d'incidence) sont différentes, mais elles varient dans le même sens. Le rapport entre le sinus de l'angle d'incidence et le sinus de l'angle de réfraction est constant (c'est l'indice de réfraction).

4 : Le principe du retour inverse de la lumière: le trajet de la lumière est indépendant du sens de la propagation (pour un trajet donné, la lumière peut se propager dans les deux sens).

Rappel:
Un rayon passant d'un milieu moins réfringent dans un milieu plus réfringent se rapproche de la normale.
Un rayon passant d'un milieu plus réfringent dans un milieu moins réfringent s'écarte de la normale.

Voyez les lois de Snell-Descartes sur le site Astrofil, ou cliquez ICI pour un schéma interactif.

Lorsque la lumière passe d'un milieu plus réfringent (exemple: l'eau) dans un milieu moins réfringent (exemple: l'air), les rayons réfractés s'écartent de la normale. L'angle limite au-delà duquel le rayon réfracté rase la surface est appelé angle limite de réfraction (l). Si l'amplitude de l'angle d'incidence s'accroît au-delà de celle de l'angle limite de réfraction, la lumière ne quitte plus le milieu (dans ce cas: l'eau), elle se réfléchit sur la surface comme sur un miroir, c'est le phénomène de réflexion totale.

Cliquez ICI pour des explications très claires (malgré une formule rébarbative) à l'aide d'une animation.

• Le rayon lumineux doit passer d'un milieu plus réfringent dans un milieu moins réfringent.
• L'angle d'incidence doit avoir une amplitude supérieure à celle de l'angle limite de réfraction (l).

• Le point de vue du poisson: comment voit-il le monde au-dessus de la surface? (figure interactive).
• Une figure interactive comportant un plus grand choix de substances et pratique pour compléter un tableau de mesures.
• Une figure interactive avec Cabri-géomètre^® pour mieux maîtriser les lois de la réfraction et les retenir.
• Une explication géométrique (animation) de l'angle limite de réfraction et la réflexion totale, pour les "matheux".
• Une figure interactive pour visualiser la réfraction et la réflexion totale.
• Une figure interactive pour visualiser le principe de la fibre optique.