Réflexion et réfraction

Physics II
 

Overview

Source : Derek Wilson, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA

La lumière voyage à des vitesses différentes selon le matériau à travers lequel il est multiplication. Quand la lumière se déplace d’un matériau à un autre, il va ralentir ou accélérer. Afin d’économiser l’énergie et l’élan, la lumière doit changer la direction dans laquelle elle se propage. Cette courbure de la lumière est appelé réfraction. Une fraction de la lumière se reflète aussi à l’interface entre les deux matériaux. Dans des cas particuliers, un faisceau lumineux peut être réfracté si brusquement à une interface qu’il est en fait complètement reflété dans le milieu d'où il venait.

Faire des lentilles utilisent le principe de la réfraction. Lentilles viennent dans deux variétés avec des courbures différentes : lentilles convexes et concaves de lentilles. Des lentilles convexes sont souvent utilisés à la lumière de la mise au point, mais peuvent également être utilisés pour créer les images grossies d’objets. Quand une lentille convexe provoque les rayons lumineux provenant d’un objet à diverger, les juges de le œil humain la lumière à venir de quelques points derrière l’objet réel d'où provient la lumière. L’image de l’objet sera dans ce cas être grossie. Ce type d’image est appelé une image virtuelle. Lentilles concaves peuvent également provoquer des rayons lumineux à diverger et créer des images virtuelles, bien que l’image va être demagnified.

Cet atelier fera la démonstration de la Loi fondamentale de la réfraction et examinera les façons dont lentilles de créer des images.

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JoVE Science Education Database. Notions essentielles de physique II. Réflexion et réfraction. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Lorsque la lumière frappe l’interface entre deux matériaux, il est plié par un angle qui dépend de la composition de ces deux matières. À la limite, la vitesse à laquelle la lumière propage les modifications, provoquant sa direction de propagation de changer aussi bien. Chaque média a une caractéristique « indice de réfraction » qui est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu :

Equation 1

n est l’indice de réfraction sans dimension, c est la vitesse de la lumière dans le vide en mètres par seconde (m/s), et v est la vitesse de la lumière dans le milieu en mètres par seconde (m/s). Lumière se déplace plus lentement dans un milieu avec un indice de réfraction élevé et plus rapidement dans un milieu avec un faible indice de réfraction.

Pour un angle d’incidence donné, өj’ai (angle auquel la lumière frappe la frontière entre les deux milieux), l’angle au cours de laquelle le faisceau de lumière est réfracté, өr, est donnée par la Loi de réfraction, qui est plus communément appelée Loi de Snell-Descartes :

Equation 2

où ө j’et өr sont exprimés en degrés et n1 et n2 sont l’indices de réfraction sans dimension des matériaux initiaux et finaux à travers lequel la lumière se déplace. L’angle de réfraction spécifie la direction dans laquelle l’onde réfractée lumineuse se rendra dans le milieu de la deuxième (voir Figure 1). Une fraction de la lumière incidente est également reflétée dans le premier média à un angle égal à l’angle d’incidence.

Un phénomène intéressant se produit lorsque la lumière va partir d’un matériau avec un indice de réfraction élevé à un avec un indice inférieur. Il y a un angle d’incidence critique au cours de laquelle l’angle de réfraction deviendra 90°. Si la lumière frappe la limite à l’angle critique, le faisceau réfracté voyagera le long de la frontière entre les médias et peu de lumière qui figurera dans le matériau d’indice de réfraction élevé (voir la Figure 2). Si la lumière frappe la limite à un angle supérieur à l’angle de cet critique, qui complètement figurera dans le matériau d’indice de réfraction élevé dans un événement appelé la réflexion totale interne.

Figure 1
Figure 1 : Un rayon lumineux incident sur la frontière entre les deux résultats de médias dans un rayon réfléchi et un rayons réfractés.

Figure 2
Figure 2 : Total de réflexion interne quand n2 > n1. Le blue ray est incidente à l’angle critique et se traduit par un rayon réfracté voyageant le long de l’interface et un rayon réfléchi. Le rayon rouge est incident à un angle plus grand que l’angle critique et conduit à un rayon réfléchi totalement en interne.

Lentilles prendre avantage de réfraction pour créer de réelles et images virtuelles d’objets. Une image réelle est une image formée par la convergence physique des rayons de lumière qui provient d’un objet. Une image virtuelle est formée lorsque les rayons lumineux semblent converger mais ne convergent pas réellement physiquement. Nos yeux construire un point d’origine des rayons divergents, et ce point d’origine est la source des images virtuelles même si les rayons lumineux ne convergent pas réellement à ce stade. Exemples réels et des images virtuelles, formées par une lentille convexe sont indiquées à la Figure 3. Lentilles ont une longueur caractéristique, appelée la « longueur focale », qui est la distance entre la lentille à qui la lumière rayons originaires infiniment loin se concentrera après le passage à travers la lentille. Compte tenu de la distance focale d’une lentille, la distance entre l’objet et la lentille déterminera l’emplacement de l’image selon l’équation des lentilles minces :

Equation 3

f est la focale de la lentille en mètres (m), o est la distance entre la lentille et l’objet en mètres (m), et j’ai est la distance entre la lentille et l’image en mètres (m). Si la distance de l’objet, est égale à une quantité positive, puis, si la distance de l’image est positive, l’image sera réel et sera situé sur le côté de la lentille en face de l’objet. Si la distance de l’image est négative, l’image sera virtuel, agrandie et située du même côté de l’objectif que l’objet.

Figure 3
Figure 3 : Une lentille convexe produisant du réel et des images virtuelles. Forme des images réelles de la vraie convergence des rayons lumineux. Images virtuelles sont construits par nos yeux des rayons de lumière déviées.

Procedure

<>

1. déterminer l’indice de réfraction de l’eau à l’aide de la Loi de Snell (Loi de réfraction) et trouver l’angle critique de réflexion totale interne.

  1. Obtenir un réservoir de réfraction spécialisés avec une source lumineuse.
  2. Remplissez le réservoir de réfraction avec de l’eau et allumez la source de lumière. Diriger le faisceau de la source lumineuse dans la moitié du réservoir rempli d’eau. Il peut être nécessaire tamiser l’éclairage dans la salle.
  3. Utiliser le Rapporteur sur le réservoir de réfraction pour mesurer l’angle d’incidence (l’angle mesuré dans la moitié du réservoir rempli d’eau) et angle de réfraction (l’angle mesuré dans la moitié du réservoir rempli d’air) de la poutre pour l’interface air-eau dans le réservoir.
  4. Utilisez les angles mesurés et l’indice de réfraction de l’air (nair = 1,00) pour calculer l’indice de réfraction de l’eau.
  5. Répétez les étapes précédentes pour quelques angles d’incidence variant de 0° à un peu moins de 90°.
  6. Lorsque l’angle d’incidence augmente, on remarquera que le faisceau de lumière réfractée ne peut plus être vu dans la moitié du conteneur renfermant l’air. Tournez lentement la source lumineuse sur le réservoir jusqu'à atteindre le point où le rayon lumineux disparaît tout d’abord de l’air. Il s’agit de l’angle critique de réflexion totale interne.
  7. Si la source lumineuse est tournée plus loin, il convient d’observer que la poutre se reflète dans l’eau.
  8. Déplacez la source de lumière afin que le faisceau entre la moitié du réservoir rempli d’air tout d’abord avant de voyager dans l’eau. Enregistrer quelques angles d’incidence et de réfraction sous cette condition. Notez que, auparavant, l’angle d’incidence est l’angle auquel la lumière a voyagé à travers l’eau. Puisque la lumière est maintenant en passant par l’air tout d’abord, le nouvel angle d’incidence est l’angle au cours de laquelle il se déplace dans les airs, et la nouvelle angle de réfraction est l’angle au cours de laquelle il se déplace dans l’eau.
  9. Observer que la réflexion totale interne ne se produit pas dans cette configuration. Réflexion totale interne se produit uniquement lorsque la lumière passe d’un milieu avec un indice de réfraction élevé dans un milieu avec un indice de réfraction inférieur.

2. Mesurez la distance focale d’une lentille et créer des réels et des images virtuelles d’un objet.

  1. Obtenir une lentille convexe, une lentille concave, une feuille de papier blanc, un dirigeant et un petit objet distinctif. Il permet également d’avoir un banc optique avec supports pour les lentilles et objet, en plus d’un appareil pour tenir la feuille de papier en position verticale.
  2. Placer la lentille convexe entre l’objet et le morceau de papier, tout en ligne et à la même hauteur.
  3. Déplacer l’objet et le papier autour jusqu'à ce qu’une image claire de l’objet apparaît sur le papier. L’image sur le papier est une image réelle.
  4. Mesurer la distance entre la lentille à l’objet et la distance entre la lentille et le papier. L’équation de la lentille mince permet de déterminer la distance focale de la lentille.
  5. Placez le papier côté et déplacer l’objet plus près de l’objectif jusqu'à ce que la distance entre la lentille et l’objet est inférieure à la distance focale de la lentille.
  6. Regarder à travers la lentille : une version agrandie de l’objet doit être considérée. Cette image est une image virtuelle.
  7. Remplacer la lentille convexe avec la lentille concave. Regarder à travers la lentille concave : maintenant une version demagnified de l’objet est visible. C’est aussi une image virtuelle.

Lumière reflète et se déplace à des vitesses différentes et la direction ou réfracte, en fonction du matériau à travers lequel il est se propageant, causant 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 à retourner dans le milieu d'où il provenait ; Il s’agit de réflexion. Et le reste de la lumière change sa direction à l’interface et traverse le bloc de verre pour économiser l’énergie et l’élan ; Il s’agit de la réfraction.

Lentilles, trouvé dans les systèmes optiques comme font les microscopes utiliser de réflexion et de réfraction pour créer des images qui peuvent être perçus par le œil humain.

Ici, nous allons discuter tout d’abord les principes et les paramètres de la réflexion et réfraction. Ensuite, nous allons démontrer ces phénomènes dans un système où l’air et l’eau sont les deux milieux. Ensuite, nous étudierons la façon dans laquelle lentilles de créer des images, suivies de quelques applications dans le domaine de l’optique.

Pour comprendre les principes et les paramètres de la réflexion et réfraction, laissez-nous choisir deux médias - eau et air.

Le premier paramètre clé à noter est « indice de réfraction », « n » - une caractéristique du milieu à travers lequel la lumière se déplace. Il est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, « c », à la vitesse de la lumière dans le milieu, « v ». Comme le n de l’air est inférieure à l’eau, la lumière se déplace plus lentement dans l’eau par rapport à air.

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

Maintenant quand la lumière voyage de l’eau dans l’air et des hits de que l’interface, certaines d'entre elles se reflète à l’interface, et le reste est réfracté ni plié par un angle qui dépend de l’indices de réfraction des deux médias. Réflexion et réfraction sont également dépendants d’un autre paramètre - angle d’incidence, ou θi.

Il s’agit de l’angle entre la lumière incidente et la normale à l’interface air-eau à l’intérieur du premier médium, de l’eau. Le « angle de réflexion » est mesurée entre la lumière réfléchie et la même normale à l’intérieur le premier média, l’eau et est égal à l’angle d’incidence. Considérant que le « angle de réfraction » ou θr est l’angle entre la normale et de la lumière réfractée à l’interface air-eau dans le milieu de la second, l’air.

L’angle de réfraction dépend donc de l’angle d’incidence et les indices de réfraction des deux médias. La Loi de la réfraction ou la Loi de Snell fournit un lien entre tous ces paramètres.

Maintenant, si l’angle d’incidence est augmentée lentement, à un moment donné, la lumière semble le long de l’interface eau-air, et l’angle de réfraction est égale à 90 degrés. Cet angle d’incidence est appelé l’angle de « critique ». Notez qu’il peut arriver seulement si l’indice de réfraction du premier milieu est supérieur à l’autre.

Dans ces mêmes conditions, si l’angle d’incidence est augmentée plus loin, puis le faisceau lumineux est réfracté tellement fortement qu’il est en fait complètement reflété dans le premier milieu d'où provenait la lumière. Ce phénomène s’appelle la réflexion totale interne.

Après avoir examiné les paramètres qui influent sur la réflexion et réfraction, nous allons voir comment réaliser une expérience dans un laboratoire de physique qui valide ces principes. Rassembler tous les matériaux nécessaires et les équipements y compris un réservoir de réfraction spécialisé avec un faisceau lumineux.

Remplir une moitié de la cuve de réfraction avec de l’eau. Allumez le faisceau lumineux et diriger le faisceau vers la moitié du réservoir rempli d’eau.

À l’aide d’un rapporteur d’angle, mesure angle d’incidence de faisceau lumineux ou l’angle mesuré dans l’eau entre le faisceau lumineux et la normale à l’interface air-eau. En outre, de mesurer 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 au cours de laquelle le faisceau lumineux apparaît le long de l’interface air-eau. Prenez note de cet angle d’incidence, comme c’est l’angle critique de réflexion totale interne.

Ensuite, continuer à augmenter l’angle d’incidence en tournant la source lumineuse dans le sens anti-horaire. Maintenant, le faisceau réfracté obtient complètement reflété dans l’eau démontrant la réflexion totale interne.

Par la suite, déplacer la source de lumière afin que le faisceau entre la moitié du réservoir d’air d’abord avant de se rendre dans l’eau. Répéter le protocole pour le nouveau chemin de faisceau lumineux pour différents angles d’incidence et relever l’angle de réfraction correspondant.

Maintenant nous allons parler de lentilles, qui prennent avantage de la réflexion et la réfraction de la lumière pour créer de réelles et images virtuelles d’objets. Toutes les lentilles, convexe ou concave, ont une longueur de focale « f », qui est la distance entre la lentille au cours de laquelle les rayons lumineux provenant de l’infiniment loin se concentrera après le passage à travers la lentille. Pour les verres convexes f est positive et pour les verres concaves f négative.

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

C’est cette distance de l’image mathématique « i » qui nous dit qu’une image formée par la lentille est réel ou virtuel. Si le mathématiquement calculé « i » est positif alors l’image formée sera réel, et si elle est négative l’image sera virtuel.

Pour une lentille convexe, lorsque la distance de l’objet ' o ' est supérieure à la longueur focale « f », la distance de l’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 captée par une caméra ou d’un microscope.

Toutefois, lorsque la distance de l’objet ' o ' est inférieure à la distance focale « f », la distance de l’image calculée mathématiquement « i » est négative et une image virtuelle est formée. C’est parce que les rayons lumineux semblent converger mais réellement physiquement divergent, et nos yeux construire un point d’origine pour eux. Ceci est observé dans le cas d’une loupe, où une image virtuelle agrandie est formée.

Pour les verres concaves, les rayons lumineux qui proviennent de l’objet passent à travers la lentille et divergent toujours. Ainsi, le calcul « i » est toujours négatif et l’image créée est toujours virtuelle.

Dans cette section, nous validerons la formation des réels et des images virtuelles à l’aide de simples lentilles convexes et concaves. Rassembler le matériel requis, à savoir une lentille convexe, une lentille concave, une feuille de papier blanc, un petit objet distinctif et une pince pour tenir le papier verticalement

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

Déplacer l’objet et le papier autour jusqu'à ce qu’une image claire de l’objet apparaît sur le papier. Cette image visible sur le papier est une image réelle, car elle peut être capturée sur un écran.

Mesurer la distance de la lentille à l’objet et de l’objectif du livre. L’équation de la lentille mince permet de déterminer la distance focale de la lentille.

Ensuite, placez le papier côté et déplacer l’objet plus près de l’objectif jusqu'à ce que la distance entre la lentille et l’objet est inférieure à la distance focale de la lentille. Regarder à travers la lentille et observez l’image.

Remplacer la lentille convexe avec une lentille concave. Regarder à travers la lentille concave et observez l’image virtuelle demagnified.

Maintenant que nous avons terminé le protocole expérimental, passons en revue 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 pour 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 sort à 1,33.

Ce calcul peut alors être répété pour les diverses facettes de l’incident et la 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 de réflexion totale interne à l’aide de la Loi de Snell. Il s’agit de l’angle d’incidence lorsque l’angle de réfraction est égal à 90 degrés. Réorganiser cette équation à résoudre pour l’angle critique.

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

Lorsque le faisceau lumineux est projeté dans l’air à l’eau, réflexion totale interne ne se produit pas même à des angles plus de 48,8 degrés comme la lumière se déplace maintenant dans un milieu d’indice plus faible au plus élevé.

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

Dans le cas où l’objet est observé à travers une lentille convexe, à une distance inférieure à sa longueur focale, on observe une version agrandie de l’objet. Il s’agit d’une image virtuelle, comme cette image ne peut pas être capturé sur un écran. De même, lorsque vous utilisez la lentille concave, une image virtuelle demagnified de l’objet est observée.

Optique, plus précisément des lentilles optiques, est utilisé dans tous horizons de la photographie à l’imagerie médicale pour le œil humain.

Fibres optiques sont utilisés pour la transmission de données dans de nombreuses applications de la journée en cours, comme la transmission de signaux téléphoniques. Ces fibres sont constitués d’un noyau, bardage et une couche externe protectrice ou tampon et d’autres couches de renforcement.

Le revêtement des guides les données sous la forme d’impulsions de lumière le long de la base à l’aide de la méthode de réflexion totale interne. Cette propriété de transmission de données permet aux caméras optiques de fibre utilisées par des médecins pour afficher les espaces confinés dans le corps humain.

La microscopie est le domaine de l’utilisation de microscopes pour afficher des objets qui ne sont pas visibles à le œil nu. La microscopie optique ou lumière implique en passant de la lumière visible, qui est réfractée à travers ou réfléchie par l’échantillon, à travers une lentilles simples ou multiples pour permettre une vue agrandie de l’échantillon. L’image résultante peut être détectée directement par le œil, ou capturé numériquement.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la réflexion et réfraction. Vous devez maintenant comprendre les principes de la réfraction, Loi de Snell et réflexion totale interne et aussi la théorie derrière les lentilles et comment ils créent des images. Comme toujours, Merci pour regarder !

Results

Loi de Snell dicte l’angle auquel lumière va être pliée lors du franchissement de la frontière entre deux milieux. L’incident mesuré et les angles de réfraction à l’interface eau-air sont donnés dans le tableau 1. Ci-dessous, un exemple de calcul donnant l’indice de réfraction de l’eau à l’aide de la Loi de Snell est indiquée pour un angle d’incidence égal à 30,1 ° que la lumière passe de l’eau dans l’atmosphère :

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Equation 71.33


Le calcul peut être répété pour les divers angles dans le tableau 1, et la moyenne des mesures fournira un même mieux mesurer l’indice de réfraction qu’aucune des mesures individuelles fournira.


Tableau 1 : résultats.

Interface Өj’ai Өr neau
Eau Air 10.0 13.5 1.34
Eau Air 19,8 26,6 1.32
Eau Air 30.1 41,9 1.33
Air eau 20.1 15.1 1.32
Air eau 44,9 32,0 1.33
Air eau 75.2 46,7 1.33

L’angle critique de réflexion totale interne se produit lorsque l’angle de réfraction est égal à 90°. Pour l’interface eau-air, Loi de Snell a prédit que l’angle critique de l’incidence est 48,8 °.

Il est intéressant de noter que le faisceau réfracté pourrait encore être observé sous un angle supérieur à 48,8 ° quand on regarde l’interface à laquelle le faisceau lumineux est allé de l’air dans l’eau. C’est seulement à la limite à laquelle le faisceau est passée de l’eau à l’air que le faisceau se reflétait en interne à des angles supérieurs à 48,8 °. Réflexion totale interne ne peut se produire lorsque la lumière passe d’un milieu avec un indice de réfraction élevé dans un milieu avec un indice de réfraction inférieur.

Quant à l’objectif de l’expérience, lorsque l’objet a été placé à propos d’o = 11,02 cm, le provient de l’image en relief à 9,21 cm. L’équation de la lentille mince alors révèle la longueur focale de la lentille convexe à 5,02 cm environ.

Applications and Summary

Cet atelier explore la physique de la réfraction et de lentilles. Loi de Snell a été utilisé pour mesurer l’indice de réfraction de l’eau à l’aide de mesures de l’incident et les angles de réfraction. Le phénomène de réflexion totale interne à l’interface eau-air a été également observé. Il a été démontré que des lentilles concaves peuvent se concentrer lumière et également de créer des images virtuelles, ce qui leur permet de servir des dispositifs de grossissement.

Le œil humain perçoit en se concentrant la lumière sur la rétine, et mauvaise vision peut se produire si la lumière se concentre en devant ou derrière la rétine. Lunettes de vue aident à corriger la vision pauvre en recentrant correctement la lumière sur la rétine. Caméras utilisent un objectif à mise au point lumineux sur un capteur de la même façon que les yeux concentre la lumière sur la rétine. Loupes sont des lentilles convexes simplement élargies, de créer des images virtuelles d’objets. Microscopes optiques permet le pour immensément magnifier de petits objets, tels que les piles de lentilles multiples. De même, il y a un type de télescope appelé une lunette qui utilise des lentilles pour capturer la lumière des étoiles, galaxies et autres objets astrophysiques. Réflexion totale interne est utilisée le plus souvent sous forme de fibres optiques, qui sont utilisés pour la transmission de données et fibroscopes.

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1. déterminer l’indice de réfraction de l’eau à l’aide de la Loi de Snell (Loi de réfraction) et trouver l’angle critique de réflexion totale interne.

  1. Obtenir un réservoir de réfraction spécialisés avec une source lumineuse.
  2. Remplissez le réservoir de réfraction avec de l’eau et allumez la source de lumière. Diriger le faisceau de la source lumineuse dans la moitié du réservoir rempli d’eau. Il peut être nécessaire tamiser l’éclairage dans la salle.
  3. Utiliser le Rapporteur sur le réservoir de réfraction pour mesurer l’angle d’incidence (l’angle mesuré dans la moitié du réservoir rempli d’eau) et angle de réfraction (l’angle mesuré dans la moitié du réservoir rempli d’air) de la poutre pour l’interface air-eau dans le réservoir.
  4. Utilisez les angles mesurés et l’indice de réfraction de l’air (nair = 1,00) pour calculer l’indice de réfraction de l’eau.
  5. Répétez les étapes précédentes pour quelques angles d’incidence variant de 0° à un peu moins de 90°.
  6. Lorsque l’angle d’incidence augmente, on remarquera que le faisceau de lumière réfractée ne peut plus être vu dans la moitié du conteneur renfermant l’air. Tournez lentement la source lumineuse sur le réservoir jusqu'à atteindre le point où le rayon lumineux disparaît tout d’abord de l’air. Il s’agit de l’angle critique de réflexion totale interne.
  7. Si la source lumineuse est tournée plus loin, il convient d’observer que la poutre se reflète dans l’eau.
  8. Déplacez la source de lumière afin que le faisceau entre la moitié du réservoir rempli d’air tout d’abord avant de voyager dans l’eau. Enregistrer quelques angles d’incidence et de réfraction sous cette condition. Notez que, auparavant, l’angle d’incidence est l’angle auquel la lumière a voyagé à travers l’eau. Puisque la lumière est maintenant en passant par l’air tout d’abord, le nouvel angle d’incidence est l’angle au cours de laquelle il se déplace dans les airs, et la nouvelle angle de réfraction est l’angle au cours de laquelle il se déplace dans l’eau.
  9. Observer que la réflexion totale interne ne se produit pas dans cette configuration. Réflexion totale interne se produit uniquement lorsque la lumière passe d’un milieu avec un indice de réfraction élevé dans un milieu avec un indice de réfraction inférieur.

2. Mesurez la distance focale d’une lentille et créer des réels et des images virtuelles d’un objet.

  1. Obtenir une lentille convexe, une lentille concave, une feuille de papier blanc, un dirigeant et un petit objet distinctif. Il permet également d’avoir un banc optique avec supports pour les lentilles et objet, en plus d’un appareil pour tenir la feuille de papier en position verticale.
  2. Placer la lentille convexe entre l’objet et le morceau de papier, tout en ligne et à la même hauteur.
  3. Déplacer l’objet et le papier autour jusqu'à ce qu’une image claire de l’objet apparaît sur le papier. L’image sur le papier est une image réelle.
  4. Mesurer la distance entre la lentille à l’objet et la distance entre la lentille et le papier. L’équation de la lentille mince permet de déterminer la distance focale de la lentille.
  5. Placez le papier côté et déplacer l’objet plus près de l’objectif jusqu'à ce que la distance entre la lentille et l’objet est inférieure à la distance focale de la lentille.
  6. Regarder à travers la lentille : une version agrandie de l’objet doit être considérée. Cette image est une image virtuelle.
  7. Remplacer la lentille convexe avec la lentille concave. Regarder à travers la lentille concave : maintenant une version demagnified de l’objet est visible. C’est aussi une image virtuelle.

Lumière reflète et se déplace à des vitesses différentes et la direction ou réfracte, en fonction du matériau à travers lequel il est se propageant, causant 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 à retourner dans le milieu d'où il provenait ; Il s’agit de réflexion. Et le reste de la lumière change sa direction à l’interface et traverse le bloc de verre pour économiser l’énergie et l’élan ; Il s’agit de la réfraction.

Lentilles, trouvé dans les systèmes optiques comme font les microscopes utiliser de réflexion et de réfraction pour créer des images qui peuvent être perçus par le œil humain.

Ici, nous allons discuter tout d’abord les principes et les paramètres de la réflexion et réfraction. Ensuite, nous allons démontrer ces phénomènes dans un système où l’air et l’eau sont les deux milieux. Ensuite, nous étudierons la façon dans laquelle lentilles de créer des images, suivies de quelques applications dans le domaine de l’optique.

Pour comprendre les principes et les paramètres de la réflexion et réfraction, laissez-nous choisir deux médias - eau et air.

Le premier paramètre clé à noter est « indice de réfraction », « n » - une caractéristique du milieu à travers lequel la lumière se déplace. Il est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, « c », à la vitesse de la lumière dans le milieu, « v ». Comme le n de l’air est inférieure à l’eau, la lumière se déplace plus lentement dans l’eau par rapport à air.

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

Maintenant quand la lumière voyage de l’eau dans l’air et des hits de que l’interface, certaines d'entre elles se reflète à l’interface, et le reste est réfracté ni plié par un angle qui dépend de l’indices de réfraction des deux médias. Réflexion et réfraction sont également dépendants d’un autre paramètre - angle d’incidence, ou θi.

Il s’agit de l’angle entre la lumière incidente et la normale à l’interface air-eau à l’intérieur du premier médium, de l’eau. Le « angle de réflexion » est mesurée entre la lumière réfléchie et la même normale à l’intérieur le premier média, l’eau et est égal à l’angle d’incidence. Considérant que le « angle de réfraction » ou θr est l’angle entre la normale et de la lumière réfractée à l’interface air-eau dans le milieu de la second, l’air.

L’angle de réfraction dépend donc de l’angle d’incidence et les indices de réfraction des deux médias. La Loi de la réfraction ou la Loi de Snell fournit un lien entre tous ces paramètres.

Maintenant, si l’angle d’incidence est augmentée lentement, à un moment donné, la lumière semble le long de l’interface eau-air, et l’angle de réfraction est égale à 90 degrés. Cet angle d’incidence est appelé l’angle de « critique ». Notez qu’il peut arriver seulement si l’indice de réfraction du premier milieu est supérieur à l’autre.

Dans ces mêmes conditions, si l’angle d’incidence est augmentée plus loin, puis le faisceau lumineux est réfracté tellement fortement qu’il est en fait complètement reflété dans le premier milieu d'où provenait la lumière. Ce phénomène s’appelle la réflexion totale interne.

Après avoir examiné les paramètres qui influent sur la réflexion et réfraction, nous allons voir comment réaliser une expérience dans un laboratoire de physique qui valide ces principes. Rassembler tous les matériaux nécessaires et les équipements y compris un réservoir de réfraction spécialisé avec un faisceau lumineux.

Remplir une moitié de la cuve de réfraction avec de l’eau. Allumez le faisceau lumineux et diriger le faisceau vers la moitié du réservoir rempli d’eau.

À l’aide d’un rapporteur d’angle, mesure angle d’incidence de faisceau lumineux ou l’angle mesuré dans l’eau entre le faisceau lumineux et la normale à l’interface air-eau. En outre, de mesurer 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 au cours de laquelle le faisceau lumineux apparaît le long de l’interface air-eau. Prenez note de cet angle d’incidence, comme c’est l’angle critique de réflexion totale interne.

Ensuite, continuer à augmenter l’angle d’incidence en tournant la source lumineuse dans le sens anti-horaire. Maintenant, le faisceau réfracté obtient complètement reflété dans l’eau démontrant la réflexion totale interne.

Par la suite, déplacer la source de lumière afin que le faisceau entre la moitié du réservoir d’air d’abord avant de se rendre dans l’eau. Répéter le protocole pour le nouveau chemin de faisceau lumineux pour différents angles d’incidence et relever l’angle de réfraction correspondant.

Maintenant nous allons parler de lentilles, qui prennent avantage de la réflexion et la réfraction de la lumière pour créer de réelles et images virtuelles d’objets. Toutes les lentilles, convexe ou concave, ont une longueur de focale « f », qui est la distance entre la lentille au cours de laquelle les rayons lumineux provenant de l’infiniment loin se concentrera après le passage à travers la lentille. Pour les verres convexes f est positive et pour les verres concaves f négative.

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

C’est cette distance de l’image mathématique « i » qui nous dit qu’une image formée par la lentille est réel ou virtuel. Si le mathématiquement calculé « i » est positif alors l’image formée sera réel, et si elle est négative l’image sera virtuel.

Pour une lentille convexe, lorsque la distance de l’objet ' o ' est supérieure à la longueur focale « f », la distance de l’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 captée par une caméra ou d’un microscope.

Toutefois, lorsque la distance de l’objet ' o ' est inférieure à la distance focale « f », la distance de l’image calculée mathématiquement « i » est négative et une image virtuelle est formée. C’est parce que les rayons lumineux semblent converger mais réellement physiquement divergent, et nos yeux construire un point d’origine pour eux. Ceci est observé dans le cas d’une loupe, où une image virtuelle agrandie est formée.

Pour les verres concaves, les rayons lumineux qui proviennent de l’objet passent à travers la lentille et divergent toujours. Ainsi, le calcul « i » est toujours négatif et l’image créée est toujours virtuelle.

Dans cette section, nous validerons la formation des réels et des images virtuelles à l’aide de simples lentilles convexes et concaves. Rassembler le matériel requis, à savoir une lentille convexe, une lentille concave, une feuille de papier blanc, un petit objet distinctif et une pince pour tenir le papier verticalement

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

Déplacer l’objet et le papier autour jusqu'à ce qu’une image claire de l’objet apparaît sur le papier. Cette image visible sur le papier est une image réelle, car elle peut être capturée sur un écran.

Mesurer la distance de la lentille à l’objet et de l’objectif du livre. L’équation de la lentille mince permet de déterminer la distance focale de la lentille.

Ensuite, placez le papier côté et déplacer l’objet plus près de l’objectif jusqu'à ce que la distance entre la lentille et l’objet est inférieure à la distance focale de la lentille. Regarder à travers la lentille et observez l’image.

Remplacer la lentille convexe avec une lentille concave. Regarder à travers la lentille concave et observez l’image virtuelle demagnified.

Maintenant que nous avons terminé le protocole expérimental, passons en revue 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 pour 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 sort à 1,33.

Ce calcul peut alors être répété pour les diverses facettes de l’incident et la 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 de réflexion totale interne à l’aide de la Loi de Snell. Il s’agit de l’angle d’incidence lorsque l’angle de réfraction est égal à 90 degrés. Réorganiser cette équation à résoudre pour l’angle critique.

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

Lorsque le faisceau lumineux est projeté dans l’air à l’eau, réflexion totale interne ne se produit pas même à des angles plus de 48,8 degrés comme la lumière se déplace maintenant dans un milieu d’indice plus faible au plus élevé.

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

Dans le cas où l’objet est observé à travers une lentille convexe, à une distance inférieure à sa longueur focale, on observe une version agrandie de l’objet. Il s’agit d’une image virtuelle, comme cette image ne peut pas être capturé sur un écran. De même, lorsque vous utilisez la lentille concave, une image virtuelle demagnified de l’objet est observée.

Optique, plus précisément des lentilles optiques, est utilisé dans tous horizons de la photographie à l’imagerie médicale pour le œil humain.

Fibres optiques sont utilisés pour la transmission de données dans de nombreuses applications de la journée en cours, comme la transmission de signaux téléphoniques. Ces fibres sont constitués d’un noyau, bardage et une couche externe protectrice ou tampon et d’autres couches de renforcement.

Le revêtement des guides les données sous la forme d’impulsions de lumière le long de la base à l’aide de la méthode de réflexion totale interne. Cette propriété de transmission de données permet aux caméras optiques de fibre utilisées par des médecins pour afficher les espaces confinés dans le corps humain.

La microscopie est le domaine de l’utilisation de microscopes pour afficher des objets qui ne sont pas visibles à le œil nu. La microscopie optique ou lumière implique en passant de la lumière visible, qui est réfractée à travers ou réfléchie par l’échantillon, à travers une lentilles simples ou multiples pour permettre une vue agrandie de l’échantillon. L’image résultante peut être détectée directement par le œil, ou capturé numériquement.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la réflexion et réfraction. Vous devez maintenant comprendre les principes de la réfraction, Loi de Snell et réflexion totale interne et aussi la théorie derrière les lentilles et comment ils créent des images. Comme toujours, Merci pour regarder !

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