La réflexion et la réfraction
Gros diamant réfractant la lumière (DiamondGalaxy, iStockphoto)
Gros diamant réfractant la lumière (DiamondGalaxy, iStockphoto)
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Renseigne-toi sur la réflexion et la réfraction.
La réflexion
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Une photographie en couleur montre une vue de nuit d’une ville, ainsi que sa réflexion dans l’eau.
Les immeubles de bureaux de grande hauteur sont proches les uns des autres le long de l’horizon. Leurs fenêtres scintillent de lumière. La tour du CN est à gauche, éclairée en rouge. Tous les édifices et leurs lumières sont réfléchis, à l’envers, dans l’eau calme au premier plan. L’eau et le ciel au-dessus sont tous deux bleu foncé.
La réflexion se produit lorsque la lumière qui circule dans un matériau « rebondit » au contact d’un matériau différent. La lumière réfléchie voyage toujours en ligne droite, mais dans une direction différente.
Voici quelques points à retenir au sujet de la réflexion.
- La lumière est réfléchie selon le même angle que celui sous lequel elle frappe la surface.
Nous appelons angle d’incidence l’angle entre la lumière qui arrive et une ligne perpendiculaire à la surface. Nous appelons angle de réflexion l’angle entre la lumière réfléchie et une ligne perpendiculaire à la surface. La ligne perpendiculaire est appelée normale.
- L’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion.
Le symbole Ɵ signifie « angle » et la flèche représente les rayons de lumière.
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Deux illustrations en couleur montrent des angles de lumière réfléchie par des surfaces.
Les deux illustrations ont un long rectangle plat gris le long du bord inférieur. Elles sont étiquetées «Surface» avec deux flèches noires. Des lignes verticales pointillées s’étendent vers le bas au centre de chaque illustration, se terminant au centre de la face supérieure de chaque rectangle. Ces lignes sont étiquetées «Normale».
Dans l’illustration de gauche, une flèche bleue pointe en diagonale vers le bas et la droite, vers le centre supérieur de la surface. Celle-ci est étiquetée «Lumière incidente» en lettres bleues. Une flèche rouge pointe en diagonale vers le haut et la droite, depuis le centre supérieur de la surface. Celle-ci est étiquetée «Lumière réfléchie» en lettres rouges.
Une ligne courbe à partir de la «Normale» mène à chacune des flèches. Celle qui mène à la flèche «Lumière incidente» est étiquetée avec un symbole thêta et un i minuscule en italique. Celle qui mène à la flèche «Lumière réfléchie » est étiquetée avec un symbole thêta et un r minuscule en italique.
L’illustration de droite est identique à celle de gauche, à l’exception des angles des flèches qui sont plus éloignés de la «Normale». Chacun de ces angles est également étiqueté avec le symbole thêta et un i minuscule en italique ainsi que le symbole thêta et un r minuscule en italique.
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On voit ici un diagramme en couleur de la lumière réfléchie par une surface lisse.
Un long rectangle plat et gris s’étend le long du bord inférieur de l’illustration. Il est étiqueté «Surface». Trois flèches bleues parallèles pointent en diagonale vers la face supérieure du rectangle. À l’endroit où les flèches bleues touchent la surface, trois flèches rouges pointent en diagonale vers le haut selon le même angle. L’ensemble ressemble à trois formes en V.
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On voit ici un diagramme en couleur de la lumière réfléchie par une surface rugueuse.
Le long du bord inférieur du diagramme se trouve une longue forme grise, avec une face inférieure plate et une face supérieure irrégulière dentelée. Celle- ci est étiquetée «Surface».
Trois flèches bleues parallèles pointent en diagonale vers le bas, vers la surface. À l’endroit où chaque flèche touche la surface, une flèche rouge pointe vers le haut. Ces flèches forment trois angles complètement différents.
Les flèches montrent dans quelles directions les images réfléchies apparaîtront. Imaginons des phares de véhicules qui éclairent la route la nuit.
Lumière réfléchissant sur une route sèche la nuit (©2022 Parlons sciences).
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On voit ici un diagramme en couleur de la lumière réfléchie par une surface rugueuse sèche.
L’arrière-plan du diagramme est bleu foncé. Le long du bas se trouve une longue forme grise, avec une face inférieure plate et une face supérieure irrégulière dentelée. Celle-ci est étiquetée «Route sèche».
Trois flèches blanches parallèles pointent en diagonale vers le bas, vers la surface. À l’endroit où chaque flèche touche la surface, une flèche jaune pointe vers le haut. Ces flèches pointent dans trois directions différentes, avec des angles différents.
Lumière réfléchissant sur une route mouillée la nuit (©2022 Parlons sciences).
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On voit ici un diagramme en couleur de la lumière réfléchie par une surface rugueuse mouillée.
L’arrière-plan du diagramme est bleu foncé. Le long du bas se trouve une longue forme grise, avec une face inférieure plate et une face supérieure irrégulière dentelée. Cette surface dentelée est recouverte d’une bande bleue lisse, créant une surface supérieure plate. Celle-ci est étiquetée «Route mouillée».
Trois flèches blanches parallèles pointent en diagonale vers le bas, vers la surface. À l’endroit où chaque flèche touche la surface, une flèche jaune pointe vers le haut selon le même angle. Les deux ensembles de flèches ressemblent à trois formes en V.
La réfraction
Not only can light bounce off materials, it can also sometimes travel through materials. When light travels through a uniform material, like air, it goes in straight lines. When light travels through one material and into a second material, interesting things happen!
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On voit ici une photographie en couleur de la lumière réfractée à travers une lentille marquée par des angles.
Au centre de l’image se trouve un cercle dont la bordure est marquée avec des degrés dans chaque quart. Dans la moitié inférieure de ce cercle se trouve une lentille en forme de demi-cercle faite d’une matière claire et brillante.
Un faisceau de lumière étroit s’étend de l’extrémité d’un cylindre noir dans le coin supérieur gauche de la photographie. Le faisceau traverse la marque de 60 degrés dans le quart supérieur gauche du cercle. Ce faisceau est étiqueté «Lumière incidente» avec une flèche blanche.
Lorsque la lumière touche le bord de la lentille, elle part dans deux directions différentes.
Un faible faisceau dévie en diagonale vers le bas à travers la lentille à environ 35 degrés. Ce faisceau est étiqueté «Lumière réfractée» avec une flèche blanche.
Un autre faisceau, encore plus faible, dévie en diagonale vers le haut, s’éloignant du bord de la lentille, à travers la marque de 60 degrés dans le quart supérieur droit du cercle. Ce faisceau est étiqueté «Lumière réfléchie» avec une flèche blanche.
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On voit ici une photographie en couleur de la lumière réfractée à travers une lentille marquée par des angles.
Au centre de l’image se trouve un cercle dont la bordure est marquée avec des degrés dans chaque quart. Dans la moitié inférieure de ce cercle se trouve une lentille en forme de demi-cercle faite d’une matière claire et brillante.
Un faisceau de lumière étroit s’étend de l’extrémité d’un cylindre noir dans le coin supérieur gauche de la photographie. Le faisceau traverse la marque de 60 degrés dans le quart supérieur gauche du cercle. Ce faisceau est étiqueté «Lumière incidente» avec une flèche blanche.
Lorsque la lumière touche le bord de la lentille, elle part dans deux directions différentes.
Un faible faisceau dévie en diagonale vers le bas à travers la lentille à environ 35 degrés. Ce faisceau est étiqueté «Lumière réfractée» avec une flèche blanche.
Un autre faisceau, encore plus faible, dévie en diagonale vers le haut, s’éloignant du bord de la lentille, à travers la marque de 60 degrés dans le quart supérieur droit du cercle. Ce faisceau est étiqueté «Lumière réfléchie» avec une flèche blanche.
L’indice de réfraction
The way light changes directions has to do with the properties of the material it is travelling through. Every material has a unique index of refraction. This measurement is identified using the letter n.
Une des propriétés des matériaux est leur indice de réfraction, représenté par la lettre n. Il est égal à la vitesse de la lumière dans le vide divisée par la vitesse de la lumière dans le matériau.
Plus l’indice de réfraction est élevé, plus la lumière voyage lentement dans le matériau.
La lumière dévie vers la normale lorsque n1 < n2 (©2022 Parlons sciences).
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On voit ici un diagramme en couleur de la déviation de la lumière qui se réfracte à travers un matériau.
La moitié supérieure du diagramme a un fond gris pâle. Elle est étiquetée «Matériau 1». La moitié inférieure a un fond gris foncé. Elle est étiquetée «Matériau 2».
Un trait noir pointillé traverse verticalement la partie centrale du diagramme. Il est étiqueté «Normale».
Une flèche bleue pointe en diagonale depuis la partie gauche du bord supérieur du diagramme, à travers le matériau 1, vers le point où la normale traverse du matériau 1 au matériau 2. Cette flèche est étiquetée «Lumière incidente» et est accompagnée du symbole thêta avec la lettre i, indiquant que l’espace représente l’angle de la lumière incidente.
Une flèche verte pointe de cet endroit, en diagonale à travers le matériau 2, vers la partie droite du bord inférieur du diagramme. Cette flèche est étiquetée «Lumière réfractée».
L’espace entre la flèche et la normale est marqué avec le symbole thêta et la lettre r pour indiquer qu’il s’agit de l’angle de la lumière réfractée.
La lumière s’écarte de la normale lorsque n1 > n2 (©2022 Parlons sciences).
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On voit ici un diagramme en couleur de la déviation de la lumière qui se réfracte à travers un matériau.
La moitié supérieure du diagramme a un fond gris pâle. Elle est étiquetée «Matériau 1». La moitié inférieure a un fond gris foncé. Elle est étiquetée «Matériau 2».
Un trait noir pointillé traverse verticalement la partie centrale du diagramme. Il est étiqueté «Normale».
Une flèche bleue pointe en diagonale depuis la partie gauche du bord supérieur du diagramme, à travers le matériau 1, vers le point où la normale traverse du matériau 1 au matériau 2. Cette flèche est étiquetée «Lumière incidente» et est accompagnée du symbole thêta avec la lettre i, indiquant que l’espace représente l’angle de la lumière incidente.
Une flèche verte pointe de cet endroit, en diagonale à travers le matériau 2, vers la partie inférieure du côté droit du diagramme. Cette flèche est étiquetée «Lumière réfractée». L’espace entre la flèche et la normale est marqué avec le symbole thêta et la lettre r pour indiquer qu’il s’agit de l’angle de la lumière réfractée.
Contrairement à la réflexion, l’angle d’incidence n’est pas égal à l’angle de réfraction.
Ces deux angles sont mathématiquement reliés à l’indice de réfraction de chaque matériau par la loi de la réfraction, également appelée loi de Snell.
La lumière convergente et divergente
Nous pouvons faire en sorte que la lumière se propage dans différentes directions en utilisant des lentilles. Une lentille est un dispositif optique en plastique ou en verre. Lorsque la lumière traverse une lentille, elle peut être réfractée dans des directions prévisibles. Les directions dépendent de la forme des surfaces de la lentille.
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On voit ici une illustration en couleur de six différentes formes courbes de couleur bleue.
Dans la rangée du haut, à partir de la gauche, la première forme a deux côtés qui sont incurvés vers l’extérieur. Dans la deuxième forme, le côté gauche est incurvé vers l’extérieur, tandis que le côté droit est plat. Dans la troisième forme, le côté gauche est incurvé vers l’extérieur et le côté droit est incurvé vers l’intérieur.
Dans la rangée du bas, à partir de la gauche, les côtés droit et gauche de la première forme sont incurvés vers l’intérieur. Dans la deuxième forme, le côté gauche est incurvé vers l’intérieur, tandis que le côté droit est plat. Dans la dernière forme, le côté gauche est incurvé vers l’extérieur, tandis que le côté droit est incurvé vers l’intérieur.
Lumière qui traverse une lentille biconvexe (Parlons sciences avec une image de Fir0002 [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).
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On voit ici une photographie en couleur de trois faisceaux de lumière qui convergent après avoir traversé une lentille.
La lentille ressemble à la forme supérieure gauche dans l’illustration ci-dessus. Elle est claire et a deux côtés qui s’incurvent vers l’extérieur.
Trois minces faisceaux de lumière blancs brillent depuis le bord gauche de l’image. Lorsqu’ils touchent le côté gauche de la lentille, ils dévient vers l’intérieur, se rapprochant l’un de l’autre.
Les faisceaux continuent selon les mêmes angles à travers la lentille et ressortent par le côté droit. Ils se rencontrent et se croisent en un point à droite de la lentille. Celui-ci est étiqueté «Point focal» avec une flèche jaune.
On peut voir la faible réflexion des faisceaux lumineux depuis le côté gauche de la lentille. Ceux-ci divergent l’un de l’autre.
Lumière qui traverse une lentille biconcave (Parlons sciences avec une image de Fir0002 [CC BY-SA] via Wikimedia commons).
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On voit ici une photographie en couleur de trois faisceaux de lumière qui divergent en passant à travers une lentille.
La lentille ressemble à la forme inférieure gauche dans l’illustration ci-dessus. Elle est claire et a deux côtés qui s’incurvent vers l’intérieur.
Trois minces faisceaux de lumière blancs brillent depuis le bord gauche de l’image. Lorsqu’ils touchent le côté gauche de la lentille, ils dévient vers l’extérieur, s’écartant l’un de l’autre.
Les faisceaux continuent selon les mêmes angles à travers la lentille et ressortent par le côté droit.
On peut voir la faible réflexion des faisceaux lumineux depuis le côté gauche de la lentille. À cet endroit, ils dévient l’un vers l’autre. Ils se rencontrent et se croisent en un point à gauche de la lentille. Celui-ci est étiqueté «Point focal» avec une flèche jaune.
La lumière qui traverse un prisme
La lumière qui traverse un prisme de plastique ou de verre (habituellement un prisme triangulaire) est réfractée une première fois quand elle entre, puis de nouveau quand elle sort.
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On voit ici une illustration en couleur d’un faisceau de lumière traversant un prisme.
L’illustration montre un grand triangle équilatéral gris pâle sur un fond noir.
Une fine ligne blanche s’étend du bord gauche de l’image jusqu’au côté gauche du triangle. À cet endroit, la ligne se déploie dans un arc-en-ciel de couleurs. En partant du haut, les couleurs sont: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. L’arc-en-ciel s’élargit à mesure qu’il traverse le prisme et ressort du côté droit.
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Références
Ducksters. (n.d.). Lenses and lights.
The Editors of Encyclopaedia Britannica. (n.d.). Refraction.
Encyclopaedia Britannica. (n.d.). Angle of reflection.
Florida State University. (n.d.). Specular and diffuse reflection.
Fore, M. (n.d.). Refraction: Definition, Snell's law & refractive index. Sciencing.
The Physics Classroom. (n.d.). Converging lenses: Ray diagrams.
The Physics Classroom. (n.d.). The law of reflection.