Qu’est-ce que la réfraction
Quand la lumière passe d’un milieu transparent à un autre, par exemple de l’air à l’eau, elle change de vitesse et de direction. C’est la réfraction. Elle donne l’impression qu’une paille est cassée dans un verre d’eau, qu’une piscine est moins profonde qu’en réalité, et elle permet aux lentilles de lunettes, d’appareils photo et de l’œil de faire converger la lumière.
La loi de Snell-Descartes
n₁ × sin i₁ = n₂ × sin i₂
- n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des deux milieux,
- i₁ est l’angle d’incidence et i₂ l’angle de réfraction, mesurés tous deux par rapport à la normale, la droite perpendiculaire à la surface.
L’indice de réfraction est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans le milieu : dans l’eau, d’indice 1,333, la lumière se propage à environ 225 000 km/s.
Exemple chiffré
Un rayon lumineux passe de l’air à l’eau avec un angle d’incidence de 30°.
- sin i₂ = 1,0003 × sin 30° ÷ 1,333 = 0,375.
- i₂ = arcsin 0,375 = 22,04° : le rayon se rapproche de la normale.
- Il est dévié de 7,96° par rapport à sa direction initiale.
- Dans l’eau, la lumière se propage à 224 901 km/s.
Indices de réfraction courants
| Milieu | Indice |
|---|---|
| Air | 1,0003 |
| Glace | 1,31 |
| Eau | 1,333 |
| Plexiglas | 1,49 |
| Verre courant | 1,52 |
| Diamant | 2,417 |
L’indice varie légèrement avec la couleur de la lumière : c’est la dispersion, qui permet à un prisme ou à une goutte de pluie de décomposer la lumière blanche en arc-en-ciel. Les valeurs ci-dessus correspondent à la lumière jaune.
Angle limite et réflexion totale
Quand la lumière passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent, de l’eau vers l’air par exemple, elle s’écarte de la normale. Au-delà d’un certain angle d’incidence, l’angle limite, elle ne peut plus sortir et se réfléchit entièrement. Cette réflexion totale guide la lumière dans les fibres optiques sur des milliers de kilomètres et fait briller les diamants, dont l’angle limite n’est que de 24,4°.
- Angle limite = arcsin(n₂ ÷ n₁), seulement si n₁ > n₂.
- De l’eau vers l’air : arcsin(1 ÷ 1,333) = 48,6°.
- Du verre vers l’air : environ 41°.
Choisissez l’eau comme premier milieu et l’air comme second, puis essayez des angles supérieurs à 48,6° : le calculateur signale la réflexion totale.
Dans la vie courante
Un poisson vu depuis la berge n’est pas là où il paraît : les pêcheurs au harpon apprennent à viser en dessous de l’image. Vue d’au-dessus, une piscine paraît environ un quart moins profonde qu’en réalité, à cause du rapport de 1,333 entre les deux indices.