1.10 Réflexion et réfraction de la lumière
I- Texte introductif
Les photos suivantes montrent certains phénomènes optiques.
$\surd\ $ Comment expliquer qu'une personne devant un miroir arrive à se voir en reflet à travers celui-ci ?
$\surd\ $ Comment expliquer les fontaines lumineuses ?
$\surd\ $ Comment expliquer que la règle semble cassée
II- Contenus
1.Interprétation des photos
Pour la photo 1, l'image est formée par les rayons lumineux émis par la personne et renvoyés par le miroir.
Pour la photo 2, les rayons sont canalisés dans un jet d'eau.
Pour la photo 3, les rayons lumineux émis par la règle dans l'eau émerge dans l'air en changeant de direction.
2.Réflexion de la lumière
Les objets renvoient tout ou une partie de la lumière qu'ils reçoivent :
c'est la réflexion de la lumière.
On distingue deux types de réflexion :
2.1. Réflexion diffuse
Un objet éclairé renvoie la lumière dans toutes les directions :
c'est la réflexion diffuse.
Ce type de réflexion se produit lorsque la surface éclairée de l'objet est rugueuse.
2.2. Réflexion spéculaire et miroir
Si on éclaire une surface polie et brillante d'un un objet, la lumière est renvoyée dans une direction privilégiée :
c'est la réflexion spéculaire.
Les surfaces polies comme une plaque métallique, une vitre, du bois vernis et la surface libre d'une eau calme produisent des réflexions spéculaires quand elles sont éclairées :
ce sont des miroirs plans.
2.3. Vocabulaire et définitions
Envoyons un faisceau lumineux sur un miroir.
Nous constatons sur la photo (P8-4) que le faisceau est dévié dans une direction privilégiée lorsqu'il rencontre le miroir.
La figure P8-4 montre la marche d'un rayon qui subit une réflexion spéculaire sur un miroir plan.
Le rayon SI qui tombe sur le miroir est appelé rayon incident.
Le rayon incident SI rencontre le miroir au point I : I est le point d'incidence.
Le rayon IR qui part du miroir est appelé rayon réfléchi.
La droite IN qui est perpendiculaire au miroir est la normale à la surface réfléchissante.
L'angle i formé par la normale IN et le rayon incident SI est appelé angle d'incidence.
L'angle r formé par la normale IN et le rayon réfléchi IR est appelé angle de réflexion.
Le plan formé par le rayon incident SI et la normale IN est appelé plan d'incidence.
2.4. Lois de Descartes sur la réflexion
Expérience :
Avec le dispositif de la photo (P8-5), faisons varier l'angle d'incidence i et notons l'angle de réflexion r. On obtient le tableau suivant :
\(\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{i(degré)}&0&20&30&40&50&60&70\\ \hline \text{r(degré)}&0&20&30&40&50&60&70\\ \hline \end{array}\)
A chaque valeur de l'angle d'incidence i, on obtient la même valeur pour l'angle de réfraction r.
Conclusions
Le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans le plan d'incidence.
L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : $\boxed{r=i}$
2.5. Objet et image
Le point objet est le point de rencontre des supports des rayons incidents.
Le point objet est réel si les rayons incidents se rencontrent effectivement en ce point.
Le point image est le point de rencontre des rayons réfléchis
Le point image est virtuel s'il est à l'intersection des prolongements des rayons réfléchis.
2.6 Expérience des deux bougies
Observations :
Deux bougies A et A' sont placées de part et d'autre d'une vitre de faible épaisseur (voir photo P8-6a).
La bougie A est allumée et A' non allumée. Déplaçons la bougie A' de façon à la faire coïncider avec l'image de A.
On voit alors sur la photo (P8-6b), que la bougie A' semble allumée.
En joignant les centres des deux bougies par une droite on observe alors le dessin suivant :
Interprétations
Le pinceau lumineux issu d'un point de la flamme de la bougie, après réflexion sur le miroir, semble provenir d'un point qui est l'image de A à travers la vitre.
L'ensemble des points de la flamme donne une image qui est visible par l'observateur.
Cette image est virtuelle.
De plus, les deux bougies sont symétriques par rapport à la vitre.
Conclusion
Un miroir donne une image virtuelle d'un objet réel.
L'image virtuelle est le symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir.
Remarques :
Un miroir plan donne d'un objet réel une image virtuelle qui en général n'est pas superposable à l'objet.
Exemple :
l'image de la main droite est la main gauche.
Un miroir de faible épaisseur dont la surface est plane et régulière, donne d'un objet une image de mêmes dimensions.
3. Réfraction de la lumière
On envoie un faisceau lumineux à la surface de séparation entre l'air et du verre comme indiqué sur la photo.
Quels sont les phénomènes observés à la surface de séparation entre les deux milieux transparents ?
Lorsqu'on envoie un pinceau lumineux sur la surface de séparation entre l'air et le verre, on constate que le faisceau incident donne naissance à :
$-\ $ un faisceau réfléchi
$-\ $ un faisceau qui pénètre dans le verre.
On constate qu'il est dévié par rapport à sa direction du faisceau incident.
On appelle réfraction de la lumière le changement de direction de la lumière à la traversée de la surface de séparation de deux milieux transparents.
$SI$ est le rayon incident
$IR$ est le rayon réfracté
$IN$ est la normale à la surface de séparation
$I$ est le point d'incidence
$i_{1}$ est l'angle d'incidence et $i_{2}$ est l'angle de réfraction
