La réfraction est la courbure de la lumière (elle se produit également avec le son, l’eau et d’autres ondes) lorsqu’elle passe d’une substance transparente à une autre.
C’est grâce à cette courbure par réfraction que nous pouvons avoir des lentilles, des loupes, des prismes et des arcs-en-ciel. Même nos yeux dépendent de cette courbure de la lumière. Sans la réfraction, nous ne serions pas en mesure de focaliser la lumière sur notre rétine.
Un changement de vitesse entraîne un changement de direction
La lumière se réfracte chaque fois qu’elle se déplace à un angle dans une substance ayant un indice de réfraction (densité optique) différent.
Ce changement de direction est causé par un changement de vitesse. Par exemple, lorsque la lumière passe de l’air à l’eau, elle ralentit, ce qui fait qu’elle continue à voyager selon un angle ou une direction différents.
De combien la lumière se déforme-t-elle ?
L’ampleur de la courbure dépend de deux choses :
- Changement de vitesse – si une substance entraîne une accélération ou un ralentissement plus important de la lumière, celle-ci se réfractera (se courbera) davantage.
- Angle du rayon incident – si la lumière pénètre dans la substance avec un angle plus important, l’ampleur de la réfraction sera également plus perceptible. En revanche, si la lumière pénètre dans la nouvelle substance de manière rectiligne (à 90° par rapport à la surface), la lumière ralentira encore, mais elle ne changera pas du tout de direction.
Indice de réfraction de quelques substances transparentes
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Substance |
Indice de réfraction |
Vitesse de la lumière dans la substance |
Angle de réfraction si le rayon incident entre dans la substance à 20º |
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Air |
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Eau |
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Verre |
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Diamant |
Tous les angles sont mesurés à partir d’une ligne imaginaire tracée à 90° par rapport à la surface des deux substances Cette ligne est tracée en pointillé et est appelée la normale.
Si la lumière pénètre dans une substance ayant un indice de réfraction plus élevé (par exemple de l’air dans le verre), elle ralentit. La lumière se courbe vers la ligne normale.
Si la lumière pénètre dans une substance à indice de réfraction plus faible (comme de l’eau dans l’air), elle accélère. La lumière se courbe en s’éloignant de la ligne normale.
Un indice de réfraction plus élevé montre que la lumière va ralentir et changer de direction davantage lorsqu’elle entre dans la substance.
Lentilles
Une lentille est simplement un bloc de verre ou de plastique incurvé. Il existe deux types de lentilles.
Une lentille biconvexe est plus épaisse au milieu qu’aux bords. C’est le type de lentille utilisé pour une loupe. Des rayons lumineux parallèles peuvent être focalisés en un point focal. Une lentille biconvexe est appelée lentille convergente.
Une courbe de lentille biconcave est plus mince au milieu qu’aux bords. Les rayons lumineux se réfractent vers l’extérieur (s’écartent) lorsqu’ils entrent dans la lentille et à nouveau lorsqu’ils en sortent.
La réfraction peut créer un spectre
Isaac Newton a réalisé une expérience célèbre en utilisant un bloc de verre triangulaire appelé prisme. Il a utilisé la lumière du soleil qui entrait par sa fenêtre pour créer un spectre de couleurs sur le côté opposé de sa pièce.
Cette expérience a montré que la lumière blanche est en fait composée de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Ces sept couleurs sont rappelées par l’acronyme ROY G BIV – rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.
Newton a montré que chacune de ces couleurs ne peut pas être transformée en d’autres couleurs. Il a également montré qu’elles peuvent être recombinées pour refaire de la lumière blanche.
L’explication de la séparation des couleurs est que la lumière est constituée d’ondes. La lumière rouge a une longueur d’onde plus grande que la lumière violette. L’indice de réfraction de la lumière rouge dans le verre est légèrement différent de celui de la lumière violette. La lumière violette ralentit encore plus que la lumière rouge, elle est donc réfractée à un angle légèrement plus grand.
L’indice de réfraction de la lumière rouge dans le verre est de 1,513. L’indice de réfraction de la lumière violette est de 1,532. Cette légère différence est suffisante pour que les longueurs d’onde les plus courtes de la lumière soient davantage réfractées.
Les arcs-en-ciel
Un arc-en-ciel est provoqué parce que chaque couleur se réfracte à des angles légèrement différents lorsqu’elle entre, se reflète à l’intérieur puis quitte chaque minuscule goutte de pluie.
Un arc-en-ciel est facile à créer à l’aide d’un flacon pulvérisateur et du soleil. Le centre du cercle de l’arc-en-ciel sera toujours l’ombre de votre tête sur le sol.
L’arc-en-ciel secondaire que l’on peut parfois voir est causé par le fait que chaque rayon de lumière se reflète deux fois sur l’intérieur de chaque gouttelette avant de la quitter. Cette deuxième réflexion provoque l’inversion des couleurs sur l’arc-en-ciel secondaire. Le rouge est en haut pour l’arc-en-ciel primaire, mais dans l’arc-en-ciel secondaire, le rouge est en bas.
Idées d’activités
Utilisez ces activités avec vos élèves pour explorer davantage la réfraction :
- Enquête sur la réfraction et la pêche au harpon – les élèves visent avec des harpons le modèle d’un poisson dans un récipient d’eau. Lorsqu’ils déplacent leurs lances vers le poisson, ils le manquent !
- Défi de la calculatrice de l’angle de réfraction – les élèves choisissent deux types de substance transparente. Ils entrent ensuite l’angle du rayon incident dans la calculatrice du tableur, et l’angle du rayon réfracté est calculé pour eux.
- La lumière et la vue : vrai ou faux ? – les élèves participent à une activité interactive » vrai ou faux » qui met en évidence les conceptions alternatives courantes sur la lumière et la vue. Cette activité peut être réalisée individuellement, en binôme ou en classe entière.
Liens utiles
En savoir plus sur les nombreux types d’arc-en-ciel et leur formation à partir du site Atoptics – Les arcs-en-ciel réfléchissent et les commandes d’arc-en-ciel.
En savoir plus sur les lentilles humaines, l’optique, les photorécepteurs et les voies neurales qui permettent la vision grâce à ce tutoriel de Biology Online.
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