Le changement de direction de propagation de la lumière
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer la réflexion de la diffusion et énoncer les lois de la réflexion ;
• construire l'image d'un objet donnée par un miroir plan ;
• décrire la réfraction de la lumière et ses lois ;
• expliquer la réfraction limite et la réflexion totale ;
• expliquer la fontaine lumineuse, la fibre optique et le mirage.
Situation de départ
À l'avant des ambulances, on lit « ECNALUBMA ». Une paille dans un verre d'eau paraît cassée. Internet arrive dans de nombreuses maisons par la fibre optique. Et dans le désert, ou sur une route brûlante, on croit voir des flaques d'eau qui s'éloignent.
Comment la lumière change-t-elle de direction ?
I. La réflexion
1. La réflexion
Une surface rugueuse diffuse la lumière dans toutes les directions. Une surface lisse (miroir, vitre, eau calme, papier d'aluminium) la renvoie dans une direction privilégiée : c'est la réflexion.
Rayon incident SI, point d'incidence I, rayon réfléchi IR, normale à la surface en I ; angle d'incidence i et angle de réflexion r, mesurés par rapport à la normale.
1re loi : le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence (le plan formé par le rayon incident et la normale).
2e loi : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : r = i.
C'est pourquoi on règle les rétroviseurs, et pourquoi il ne faut pas éblouir le conducteur devant avec ses feux de route.
2. Le miroir plan
Expérience : une bougie allumée devant une vitre donne une image qu'on voit « derrière » la vitre. Une seconde bougie éteinte placée à l'endroit de l'image paraît allumée. On mesure : les deux bougies sont symétriques par rapport à la vitre.
Un miroir plan donne d'un objet réel une image virtuelle (on ne peut pas la recueillir sur un écran), symétrique de l'objet par rapport au miroir, de même taille.
L'image est inversée gauche-droite : c'est pourquoi on écrit « ECNALUBMA » à l'avant des ambulances, pour qu'on lise « AMBULANCE » dans le rétroviseur.
Les rayons réfléchis semblent venir du point S', symétrique du point S ; l'œil voit l'objet à cet endroit.
Rétroviseurs, périscope, kaléidoscope, miroirs des télescopes (couche d'aluminium ou d'argent sur un verre très bien poli).
II. La réfraction
1. La réfraction
Quand la lumière passe d'un milieu transparent à un autre (air vers eau, air vers verre), elle change brusquement de direction à la surface de séparation : c'est la réfraction. Une partie de la lumière est aussi réfléchie.
1re loi : le rayon réfracté est dans le plan d'incidence.
2e loi : de l'air vers un autre milieu, le rayon réfracté se rapproche de la normale : r < i. La déviation est d'autant plus grande que le milieu est plus réfringent (eau < verre, plexiglas < diamant).
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