I- Étude expérimentale des lois de la réflexion (TP physique N° 8).

1)- Définition.

- Il y a réflexion lorsque la lumière frappe une surface lisse et qu'elle est renvoyée dans une direction déterminée.

- La réflexion peut être totale ou partielle. La réflexion est partielle si seulement une partie de la lumière est réfléchie, l'autre partie est réfractée.

2)- Première loi de DESCARTES.

- Le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans un même plan : le plan d'incidence.

- On appelle plan d'incidence, le plan défini par le rayon incident et la normale à la surface réfléchissante.

- Schéma :

3)- Deuxième loi de DESCARTES.

- L'angle de réflexion r est égal à l'angle d'incidence i : i = r .

- L'angle d'incidence i est l'angle formé par le rayon incident et la normale au miroir.

- L'angle de réflexion r est l'angle formé par le rayon réfléchi et la normale au miroir.

4)- Principe du retour inverse de la lumière.

- Le chemin suivi par la lumière ne dépend pas de son sens de propagation.

II- Étude expérimentale de la réfraction.

1)- Définition.

- La réfraction est le passage de la lumière d'un milieu transparent dans un autre.

- Elle provoque le plus souvent un changement de la direction de la propagation de la lumière.

2)- Première loi de DESCARTES - SNELL.

- Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan : le plan d'incidence.

- Schéma :

3)- Deuxième loi de DESCARTES - SNELL.

- L'angle de réfraction i₂ est généralement différent de l'angle d'incidence i₁.

- Lorsque l'on trace sin i₁ = f (sin i₂) , la courbe obtenue est une droite qui passe par l'origine.

- Il découle de ceci que

- Le milieu 1 est caractérisé par l'indice de réfraction n₁ et le milieu 2 est caractérisé par l'indice de réfraction n₂.

- Le coefficient k représente l'indice de réfraction du milieu 1 par rapport au milieu 2 :

- Le coefficient k est égal au quotient de l'indice de réfraction du milieu 2 et de l'indice de réfraction du milieu 1.

-

- En conséquence :

III- Réflexion totale.

1)- Mise en évidence expérimentale.

a)- Premier cas : le rayon lumineux passe du milieu 1 l'air d'indice  n₁ ≈ 1 au milieu 2, le plexiglas d'indice n₂ ≈ 1,5.

- En conséquence :  n₁ < n₂  

- On dit que le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1.

- Le rayon réfracté se rapproche de la normale au plan d'incidence.

- L'angle de réfraction est plus petit que l'angle d'incidence : i₁ > i₂.

- Si l'on fait varier l'angle d'incidence i₁, on observe toujours un rayon réfracté.

- Étude théorique :

- Quelle que soit la valeur de l'angle d'incidence, il y a toujours un rayon réfracté.

b)- Deuxième cas : le rayon réfracté passe du milieu 1 le plexiglas au milieu 2 l'air.

- n₁ ≈ 1,5 et n₂ ≈ 1,0 en conséquence : n₁ > n₂  

- le milieu 1 est plus réfringent que le milieu 2.

- Le rayon réfracté s'éloigne de la normale au plan d'incidence.

- L'angle de réfraction est plus grand que l'angle d'incidence : i₁ < i₂ .

- Si l'on augmente la valeur de l'angle d'incidence i₁, on remarque que lorsque dépasse i₁ une certaine valeur, on n'observe plus de rayon réfracté (ici, i₁≈ 42 °).

- Cet angle est appelé : angle de réfraction limite i₁≈ 42 °. Toute la lumière est réfléchie par la surface de séparation plexiglas / air. C'est le phénomène de réflexion totale.

- La réflexion totale se produit lorsque l'angle d'incidence est supérieur à une valeur limite i_l = λ telle que :

.

- Étude théorique :

- Or 0 ≤ sin i2 ≤ 1 et i₂ ne peut pas dépasser 90°.

Pour qu'il y ait réfraction, l'angle d'incidence i₁ ne peut pas dépasser une valeur limite maximale i_l correspondant à i₂ = 90° .

- La réflexion totale se produit lorsque le rayon lumineux arrive sur la surface de séparation des deux milieux sous un angle d'incidence supérieur à la valeur limite i_l .

2)- Applications de la réflexion totale.

- Fontaines lumineuses, le prisme à réflexion totale, les fibres de verre, les fibres optiques.

IV- Applications.

1)- Exercices :

2)- Applications : Conseils