Physique-Chimie — Seconde
La lumière — Réflexion et réfraction — Seconde Physique
Nature de la lumière, réflexion, réfraction, loi de Snell-Descartes et spectre lumineux.
Par ProfBot
La lumière : réflexion et réfraction — Seconde Physique
🎯 Objectif : Comprendre et appliquer les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière.
1. Nature de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide et dans certains milieux.
Célérité dans le vide :
c = 3,00 × 10⁸ m/s
Spectre visible : 400 nm (violet) à 700 nm (rouge)
La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs (arc-en-ciel, prisme).
Sources lumineuses :
- Primaires : soleil, ampoule, bougie (émettent de la lumière)
- Secondaires : Lune, objet éclairé (réfléchissent la lumière)
2. Modèle du rayon lumineux
On modélise la lumière par des rayons (droites) indiquant la direction de propagation.
Principe de propagation rectiligne : dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite.
3. La réflexion
Quand un rayon lumineux rencontre une surface, une partie est réfléchie.
Lois de Descartes pour la réflexion :
- Le rayon incident, la normale, et le rayon réfléchi sont coplanaires
- L'angle de réflexion = l'angle d'incidence :
i₁ = r₁ (angles mesurés par rapport à la normale)
Réflexion spéculaire : surface lisse (miroir) → image nette Réflexion diffuse : surface rugueuse → lumière diffusée dans toutes les directions
4. La réfraction
Quand la lumière passe d'un milieu à un autre, elle change de direction (si elle n'est pas perpendiculaire à la surface).
Loi de Snell-Descartes (réfraction) :
n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂)
n₁ : indice du milieu incident
n₂ : indice du milieu réfracté
i₁ : angle d'incidence
i₂ : angle de réfraction
Indice de réfraction d'un milieu :
n = c / v
c : célérité dans le vide
v : célérité dans le milieu
| Milieu | Indice n |
|---|---|
| Vide (air ≈) | 1,00 |
| Eau | 1,33 |
| Verre courant | 1,5 |
| Diamant | 2,42 |
5. Conséquences de la réfraction
Déviation du rayon :
- Si n₂ > n₁ (milieu plus réfringent) : le rayon se rapproche de la normale (i₂ < i₁)
- Si n₂ < n₁ (milieu moins réfringent) : le rayon s'éloigne de la normale (i₂ > i₁)
Réflexion totale interne : Si le rayon vient d'un milieu dense vers un milieu moins dense et que l'angle d'incidence dépasse l'angle limite i_c :
sin(i_c) = n₂ / n₁
Le rayon ne peut plus traverser → totalement réfléchi.
Applications : fibres optiques, diamant étincelant, mirage.
6. Dispersion de la lumière
Un prisme décompose la lumière blanche car l'indice de réfraction varie avec la longueur d'onde (couleur) :
- Violet (400 nm) → plus dévié
- Rouge (700 nm) → moins dévié
C'est ainsi qu'apparaissent les arcs-en-ciel.
7. Exemple numérique
Un rayon passe de l'air (n₁=1) dans le verre (n₂=1,5) avec un angle d'incidence i₁ = 30°.
n₁ sin(i₁) = n₂ sin(i₂)
1 × sin(30°) = 1,5 × sin(i₂)
sin(i₂) = 0,5 / 1,5 = 0,333
i₂ = arcsin(0,333) ≈ 19,5°
Le rayon est dévié vers la normale (s'est rapproché).
📝 Exercices
- Un rayon frappe un miroir plan avec un angle d'incidence de 40°. Quel est l'angle de réflexion ?
- Un rayon passe de l'eau (n=1,33) dans l'air (n=1) avec i₁ = 30°. Calculer i₂.
- Calculer l'angle limite de réflexion totale interne pour une fibre optique eau/air.
- La lumière se propage-t-elle plus vite dans le verre ou dans l'eau ?
✅ À retenir
c = 3×10⁸ m/s (vide)
n = c/v
Réflexion : i_réfl = i_incident
Réfraction : n₁ sin(i₁) = n₂ sin(i₂)
n₂ > n₁ → rayon se rapproche de la normale
Réflexion totale si i > i_c avec sin(i_c) = n₂/n₁