Réflexion et réfraction

La lumière se réfléchit et se déplace à des vitesses et dans des directions différentes, ou réfractes, en fonction du matériau à travers lequel elle se propage, provoquant de nombreux phénomènes optiques intéressants.

Lorsqu’un rayon de lumière frappe la surface d’un bloc de verre, une partie de celui-ci change de direction à l’interface pour retourner dans le milieu d’où il provient ; C’est la réflexion. Et le reste de la lumière change de direction à l’interface et se déplace à travers le bloc de verre pour conserver l’énergie et l’élan ; C’est la réfraction.

Les lentilles que l’on trouve dans les systèmes optiques comme les microscopes utilisent la réflexion et la réfraction pour créer des images qui peuvent être perçues par l’œil humain.

Ici, nous aborderons d’abord les principes et les paramètres de la réflexion et de la réfraction. Ensuite, nous démontrerons ces phénomènes dans un système où l’air et l’eau sont les deux milieux. Ensuite, nous étudierons la manière dont les objectifs créent des images, suivis de quelques applications dans le domaine de l’optique.

Pour comprendre les principes et les paramètres de la réflexion et de la réfraction, choisissons deux milieux : l’eau et l’air.

Le premier paramètre clé à noter est « l’indice de réfraction », « n » - une caractéristique du milieu à travers lequel la lumière se déplace. Elle est définie comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, 'c', et la vitesse de la lumière dans le milieu, 'v'. Comme le n de l’air est inférieur à celui de l’eau, la lumière se déplace plus lentement dans l’eau que dans l’air.

Supposons maintenant que les deux milieux, l’eau et l’air, soient en contact l’un avec l’autre le long d’une interface.

Désormais, lorsque la lumière se déplace de l’eau à l’air et frappe l’interface, une partie est réfléchie à l’interface, et le reste est réfracté ou courbé selon un angle qui dépend des indices de réfraction des deux milieux. La réflexion et la réfraction dépendent également d’un autre paramètre - l’angle d’incidence, ou ?i.

C’est l’angle entre la lumière incidente et la normale à l’interface air-eau à l’intérieur du premier milieu, l’eau. L’angle de réflexion est mesuré entre la lumière réfléchie et la même normale à l’intérieur du premier milieu, l’eau, et est égal à l’angle d’incidence. Alors que l'« angle de réfraction », ou ?r, est l’angle entre la lumière réfractée et la normale à l’interface air-eau dans le deuxième milieu, l’air.

L’angle de réfraction dépend donc de l’angle d’incidence et des indices de réfraction des deux milieux. La loi de la réfraction ou loi de Snell fournit une relation entre tous ces paramètres.

Maintenant, si l’angle d’incidence est lentement augmenté, en un point la lumière apparaîtrait le long de l’interface eau-air, et l’angle de réfraction serait égal à 90 degrés. Cet angle d’incidence est appelé « angle critique ». Notez que cela ne peut se produire que si l’indice de réfraction du premier milieu est supérieur à celui du second.

Dans cette même condition, si l’angle d’incidence est encore augmenté, le faisceau lumineux est réfracté si brusquement qu’il est en fait complètement réfléchi dans le premier milieu d’où provient la lumière. Ce phénomène s’appelle la réflexion interne totale.

Après avoir examiné les paramètres qui affectent la réflexion et la réfraction, voyons comment réaliser une expérience dans un laboratoire de physique qui valide ces principes. Rassemblez tout le matériel et l’équipement nécessaires, y compris un réservoir de réfraction spécialisé avec un faisceau lumineux.

Remplissez la moitié du réservoir de réfraction avec de l’eau. Allumez le faisceau lumineux et dirigez-le dans la moitié du réservoir rempli d’eau.

À l’aide d’un rapporteur, mesurez l’angle d’incidence du faisceau lumineux ou l’angle mesuré dans l’eau entre le faisceau lumineux et l’interface air-eau. Mesurez également l’angle de réfraction ou l’angle mesuré dans l’air entre le faisceau lumineux et la normale à l’interface air-eau

Maintenant, lorsque l’angle d’incidence augmente, un point est atteint où le faisceau lumineux apparaît le long de l’interface air-eau. Notez cet angle d’incidence, car il s’agit de l’angle critique pour la réflexion interne totale.

Ensuite, continuez à augmenter l’angle d’incidence en tournant la source lumineuse dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le faisceau réfracté est maintenant complètement réfléchi dans l’eau, démontrant une réflexion interne totale.

Par la suite, déplacez la source lumineuse de manière à ce que le faisceau pénètre d’abord dans la moitié de l’air du réservoir avant de se déplacer dans l’eau. Répétez le protocole pour le nouveau trajet du faisceau lumineux pour différents angles d’incidence et notez l’angle de réfraction correspondant.

Parlons maintenant des lentilles, qui tirent parti de la réflexion et de la réfraction de la lumière pour créer des images réelles et virtuelles d’objets. Toutes les lentilles, qu’elles soient convexes ou concaves, ont une distance focale « f », qui est la distance de la lentille à laquelle les rayons lumineux provenant d’une distance infinie seront focalisés après avoir traversé la lentille. Pour les lentilles convexes, f est positif et pour les lentilles concaves, f est négatif.

Lorsqu’un objet est placé devant un objectif, il crée une image. L’équation de l’objectif mince fournit une relation mathématique entre la distance focale « f », la distance entre l’objet et l’objectif, « o », et la distance entre l’objectif et l’image, « i ».

C’est cette distance d’image mathématique 'i' qui nous dit si une image formée par l’objectif est réelle ou virtuelle. Si le « i » calculé mathématiquement est positif, alors l’image formée sera réelle, et si elle est négative, l’image sera virtuelle.

Pour une lentille convexe, lorsque la distance de l’objet 'o' est supérieure à la distance focale 'f', la distance d’image calculée mathématiquement 'i' sera positive et une image réelle est formée. Cela est dû à la convergence physique des rayons lumineux qui proviennent de l’objet, comme l’image capturée par une caméra ou un microscope.

Cependant, lorsque la distance de l’objet 'o' est inférieure à la distance focale 'f', la distance d’image calculée mathématiquement 'i' est négative et une image virtuelle se forme. En effet, les rayons lumineux semblent converger mais divergent en fait physiquement, et nos yeux construisent un point d’origine pour eux. C’est ce que l’on observe dans le cas d’une loupe, où se forme une image virtuelle agrandie.

Pour les lentilles concaves, les rayons lumineux qui proviennent de l’objet traversent la lentille et divergent toujours. Ainsi, le « i » calculé est toujours négatif et l’image créée est toujours virtuelle.

Dans cette section, nous allons valider la formation d’images réelles et virtuelles à l’aide de simples lentilles convexes et concaves. Rassemblez le matériel requis, à savoir une lentille convexe, une lentille concave, une feuille de papier blanc, un petit objet distinctif et une pince pour maintenir le papier verticalement

Tout d’abord, placez la lentille convexe entre l’objet et la feuille de papier. Assurez-vous qu’ils sont tous alignés et à la même hauteur.

Déplacez l’objet et le papier jusqu’à ce qu’une image nette de l’objet apparaisse sur le papier. Cette image vue sur le papier est une image réelle, car elle peut être capturée sur un écran.

Mesurez maintenant la distance entre l’objectif et l’objet et entre l’objectif et le papier. Utilisez l’équation de la lentille mince pour déterminer la distance focale de la lentille.

Ensuite, placez le papier de côté et rapprochez l’objet de l’objectif jusqu’à ce que la distance entre l’objectif et l’objet soit inférieure à la distance focale de l’objectif. Regardez à travers l’objectif et observez l’image.

Remplacez la lentille convexe par une lentille concave. Regardez à travers la lentille concave et observez l’image virtuelle démagnifiée.

Maintenant que nous avons terminé le protocole expérimental, voyons comment analyser les données obtenues. Dans la première expérience, nous avons mesuré l’angle d’incidence et l’angle de réfraction à l’interface eau-air.

En utilisant la loi de Snell et en substituant les valeurs de ces angles dans l’équation, ainsi que l’indice de réfraction de l’air, nous pouvons calculer l’indice de réfraction de l’eau, qui s’avère être de 1,33.

Ce calcul peut ensuite être répété pour les différents angles d’incidence et de réfraction. La moyenne de tous les indices de réfraction calculés fournira une mesure plus précise de l’indice de réfraction de l’eau.

Nous pouvons également calculer l’angle critique pour la réflexion interne totale en utilisant la loi de Snell. Il s’agit de l’angle d’incidence lorsque l’angle de réfraction est égal à 90 degrés. Réorganisez cette équation pour trouver l’angle critique.

En utilisant la moyenne précédemment calculée pour l’indice de réfraction de l’eau, la loi de Snell prédit que l’angle d’incidence critique est de 48,8 degrés. C’est très proche de l’angle mesuré expérimentalement, vérifiant ainsi la loi de Snell.

Lorsque le faisceau lumineux est projeté de l’air vers l’eau, la réflexion interne totale ne se produit pas même à des angles supérieurs à 48,8 degrés, car la lumière se déplace maintenant d’un milieu d’indice inférieur à supérieur.

Dans l’expérience avec les lentilles, l’équation de la lentille mince révèle que pour une distance d’objet de 11,02 centimètres de la lentille et une distance d’image d’environ 9,21 centimètres, la distance focale de la lentille est d’environ 5,02 centimètres.

Dans le cas où l’objet est observé à travers une lentille convexe, à une distance inférieure à sa distance focale, une version agrandie de l’objet est observée. Il s’agit d’une image virtuelle, car cette image ne peut pas être capturée sur un écran. De même, lors de l’utilisation de la lentille concave, une image virtuelle démagnifiée de l’objet est observée.

L’optique, en particulier les objectifs optiques, est utilisée dans tous les domaines de la vie, de la photographie à l’imagerie médicale en passant par l’œil humain.

Les fibres optiques sont utilisées pour la transmission de données dans de nombreuses applications actuelles, comme la transmission de signaux téléphoniques. Ces fibres se composent d’un noyau, d’un revêtement et d’un revêtement extérieur protecteur ou d’un tampon, ainsi que d’autres couches de renforcement.

Le revêtement guide les données sous forme d’impulsions lumineuses le long du noyau en utilisant la méthode de réflexion interne totale. Cette propriété de transmission de données permet aux caméras à fibre optique utilisées par les médecins de visualiser les espaces confinés du corps humain.

La microscopie est le domaine de l’utilisation de microscopes pour visualiser des objets qui ne sont pas visibles à l’œil nu. La microscopie optique ou optique consiste à faire passer la lumière visible, qui est réfractée ou réfléchie à travers l’échantillon, à travers une ou plusieurs lentilles pour permettre une vue agrandie de l’échantillon. L’image résultante peut être détectée directement à l’œil nu ou capturée numériquement.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la réflexion et à la réfraction. Vous devriez maintenant comprendre les principes de la réfraction, de la loi de Snell et de la réflexion interne totale, ainsi que la théorie derrière les lentilles et comment elles créent des images. Comme toujours, merci d’avoir regardé !