La réflexion de la lumière
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• reconnaître le phénomène de réflexion et le distinguer de la diffusion ;
• énoncer et appliquer les lois de Descartes de la réflexion au tracé des rayons lumineux ;
• appliquer le principe du retour inverse de la lumière ;
• construire l'image d'un objet donnée par un miroir plan, et distinguer objet et image réels ou virtuels.
Prérequis : propagation rectiligne de la lumière, rayon et faisceau lumineux, sources primaires et secondaires.
Situation de départ
Par un matin sans vent, le lac d'un barrage reflète parfaitement les montagnes : on voit un double du paysage, à l'envers, qui semble bien réel dans les profondeurs de l'eau.
Sur le capot des ambulances, le mot AMBULANCE est écrit à l'envers. Pourquoi ? Et où se trouve vraiment le paysage que l'on voit « dans » l'eau ?
I. Le phénomène de réflexion
1. Réflexion, réfraction et diffusion
Rappel : dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite ; on représente son trajet par un rayon lumineux, et un pinceau très fin de lumière peut être confondu avec un rayon.
Envoyons un pinceau laser sur la surface de l'eau d'une cuve, colorée à la fluorescéine :
• la plus grande partie de la lumière pénètre dans l'eau en changeant de direction : c'est la réfraction (chapitre suivant) ;
• une partie est renvoyée dans l'air dans une direction bien déterminée : c'est la réflexion ;
• une petite partie est renvoyée dans toutes les directions : c'est la diffusion, qui rend le pinceau visible.
La réflexion est le renvoi de la lumière, par une surface polie, dans son milieu d'origine et dans une direction déterminée. Sur une surface transparente (eau, vitre), elle est partielle ; sur une surface métallique polie, presque toute la lumière est réfléchie. Une surface polie réfléchissante est un miroir ; si elle est plane, c'est un miroir plan.
Une feuille de papier, un mur blanc, la Lune renvoient la lumière dans toutes les directions : ils la diffusent, et c'est ainsi que nous les voyons de partout. Un miroir, lui, n'envoie la lumière que dans une direction.
2. Le vocabulaire
Un pinceau lumineux SI tombe en I sur un miroir plan et repart suivant IR :
• SI est le rayon incident, IR le rayon réfléchi, I le point d'incidence ;
• la droite perpendiculaire au miroir en I est la normale ;
• le plan qui contient le rayon incident et la normale est le plan d'incidence ;
• l'angle d'incidence i est l'angle entre le rayon incident et la normale ; l'angle de réflexion r est l'angle entre le rayon réfléchi et la normale.
II. Les lois de la réflexion
1. L'expérience du disque gradué
Un petit miroir plan est placé au centre d'un disque gradué en degrés, la normale au miroir passant par la graduation 0. On envoie un pinceau fin passant par le centre, on fait varier i et on relève r.
Mesures
| i (°) | 0 | 10 | 20 | 40 | 50 | 60 | 80 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| r (°) | 0 | 10 | 20 | 40 | 50 | 60 | 80 |
• Première loi : le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence.
• Deuxième loi : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence :
Un rayon réfléchi fait un angle de 60° avec le rayon incident. Comme i + r = 60° et r = i, l'angle d'incidence vaut 30°. Le rayon fait alors 90° - 30° = 60° avec la surface du miroir.
2. Le retour inverse de la lumière
Envoyons maintenant la lumière en sens inverse, le long du rayon réfléchi RI : elle se réfléchit en I et repart exactement suivant IS. Le trajet de la lumière ne dépend pas de son sens de parcours.
Principe du retour inverse : dans tout système optique, le chemin suivi par la lumière est indépendant de son sens de propagation. « Si je vois ton oeil dans le miroir, tu vois aussi le mien. »
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