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Réfraction de la lumière : lois, indice de réfraction et bloc de verre

La lumière change de vitesse quand elle passe d'un milieu transparent à un autre, et elle se dévie donc à la frontière (sauf si elle arrive le long de la normale). En entrant dans un milieu optiquement plus dense, elle ralentit et se rapproche de la normale ; en sortant, elle accélère et s'en éloigne. Pour deux milieux donnés, sin i / sin r reste constant (loi de Snell) ; cette constante est l'indice de réfraction, qui est aussi le rapport des vitesses de la lumière, n = c/v. Dans un bloc de verre rectangulaire, le rayon qui sort est parallèle au rayon qui entre, mais décalé sur le côté (décalage latéral).

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Un rayon de lumière arrive sur un bloc de verre. Regarde la frontière : le rayon ne continue pas tout droit. Il se courbe. Cette déviation s'appelle la réfraction.
  2. Trace la normale (tirets verts). De l'air vers le verre, le rayon se rapproche de la normale, donc l'angle de réfraction r est plus petit que l'angle d'incidence i.
  3. Maintenant l'angle i passe de 10° à 70°. L'angle r augmente aussi, mais regarde l'affichage : sin i ÷ sin r reste le même nombre, 1,5 pour le verre. C'est la loi de Snell.
  4. Change de matière : eau, puis verre, puis diamant. Plus l'indice n est grand, plus le rayon se courbe et plus la lumière est lente à l'intérieur (v = c/n).
  5. Laisse le rayon sortir par le bas du bloc. Il s'éloigne de la normale et sort avec e = i, parallèle à sa direction de départ, mais décalé sur le côté d'une distance d.
  6. À toi de jouer. Change i (essaie 0°), l'épaisseur et la matière. Observe comment r, la vitesse et le décalage d changent.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi la lumière se courbe-t-elle ?

Sa vitesse change à la frontière. Un côté du faisceau en biais entre en premier et ralentit en premier, donc le faisceau tourne, comme une roue de voiture qui arrive dans le sable. L'étape 1 montre la déviation à la surface.

Comment savoir si le rayon se rapproche ou s'éloigne de la normale ?

Vers un milieu plus lent (plus dense) : il s'en rapproche. Vers un milieu plus rapide (moins dense) : il s'en éloigne. L'étape 2 montre r < i en entrant dans le verre ; l'étape 5 montre qu'il s'éloigne en sortant.

Si i change, l'indice de réfraction ne change-t-il pas ?

Non. i et r changent tous les deux, mais sin i / sin r reste le même pour ce couple de milieux. Regarde le rapport dans l'affichage pendant l'étape 3.

Un indice de réfraction plus grand veut-il dire plus de déviation ?

Oui. Un n plus grand veut dire une lumière plus lente et un r plus petit pour le même i. L'étape 4 passe de l'eau au verre puis au diamant.

Si le rayon émergent est parallèle, le bloc a-t-il un effet ?

Oui : le rayon est décalé sur le côté (décalage latéral). L'étape 5 dessine en pointillés le trajet sans bloc et le décalage d en rouge.

Que se passe-t-il pour i = 0° ?

Le rayon traverse tout droit, sans déviation et sans décalage. Mets i à 0 en jeu libre.

Qu'est-ce que la réfraction et pourquoi la lumière se courbe-t-elle ?

La réfraction est le changement de direction de la lumière quand elle passe en biais d'un milieu transparent à un autre, par exemple de l'air à l'eau ou au verre. Elle a lieu parce que la lumière se déplace à des vitesses différentes selon le milieu : environ 3 × 10⁸ m/s dans l'air, environ 2,25 × 10⁸ m/s dans l'eau, environ 2 × 10⁸ m/s dans le verre.

Un milieu dans lequel la lumière est plus lente est dit optiquement plus dense ; celui où elle est plus rapide est optiquement moins dense. La densité optique n'est pas la même chose que la masse volumique : le kérosène est plus léger que l'eau, et pourtant il est optiquement plus dense.

Lois de la réfraction (loi de Snell)

  1. Première loi : le rayon incident, le rayon réfracté et la normale au point d'incidence sont tous dans le même plan.
  2. Deuxième loi (loi de Snell) : pour une lumière d'une couleur donnée et un couple de milieux donné, le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est constant.

sin i / sin r = constante = n₂₁

Cette constante est l'indice de réfraction du second milieu par rapport au premier. À l'étape 3 de l'histoire, tu vois i et r changer pendant que le rapport reste fixe.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction indique à quel point un milieu ralentit la lumière, et donc à quel point il la dévie.

Indice de réfraction relatif

Pour la lumière qui passe du milieu 1 au milieu 2 :

n₂₁ = vitesse de la lumière dans le milieu 1 / vitesse de la lumière dans le milieu 2 = v₁/v₂

Indice de réfraction absolu

Quand le milieu 1 est le vide (ou l'air, pratiquement la même chose) :

n = c / v

Comme la lumière est la plus rapide dans le vide, n est toujours supérieur à 1 pour toute matière. Il n'a pas d'unité. De plus n₂₁ = n₂/n₁ et n₁₂ = 1/n₂₁.

Milieun (approx.)
Air1,0003
Eau1,33
Kérosène1,44
Verre crown1,52
Diamant2,42

Le diamant a l'une des valeurs les plus élevées, ce qui explique en partie pourquoi il brille autant.

Réfraction dans un bloc de verre rectangulaire

Un rayon qui arrive sur un bloc de verre se courbe deux fois : vers la normale sur la première face (air → verre) et loin de la normale sur la seconde face (verre → air).

C'est l'activité classique de laboratoire : on trace le contour d'un bloc, on plante des épingles le long d'un rayon et on mesure i, r et e au rapporteur.

La réfraction dans la vie de tous les jours et conseils pour l'examen

Ce qu'on demande : les deux lois, la définition de l'indice de réfraction et des calculs avec n = c/v (1 à 3 points), quel milieu est optiquement le plus dense d'après un tableau, et le schéma du rayon dans un bloc de verre avec e = i et le décalage latéral (2 à 3 points).

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. L'indice de réfraction du verre est 1,5. Trouve la vitesse de la lumière dans le verre.

v = c/n = (3 × 10⁸)/1,5 = 2 × 10⁸ m/s.

2. La lumière se propage à 2,25 × 10⁸ m/s dans un liquide. Trouve l'indice de réfraction du liquide.

n = c/v = (3 × 10⁸)/(2,25 × 10⁸) = 1,33 (c'est de l'eau).

3. n de l'eau = 1,33 et n du verre = 1,5. Trouve l'indice de réfraction du verre par rapport à l'eau.

n(verre par rapport à l'eau) = n_verre / n_eau = 1,5/1,33 ≈ 1,13.

4. Un rayon entre dans un milieu d'indice √2 (≈ 1,414) depuis l'air sous un angle de 45°. Trouve l'angle de réfraction.

sin r = sin i / n = sin 45° / √2 = (1/√2)/√2 = 1/2, donc r = 30°.

5. Un rayon tombe à 60° sur un bloc de verre d'indice √3. Trouve l'angle de réfraction à l'intérieur et l'angle d'émergence.

sin r = sin 60°/√3 = (√3/2)/√3 = 1/2, donc r = 30°. Les faces sont parallèles, donc le rayon sort avec e = i = 60°, parallèle au rayon incident.

6. Dans lequel la lumière est-elle plus rapide, le verre (n = 1,5) ou le diamant (n = 2,42) ? Trouve la vitesse dans le diamant.

La vitesse est c/n, donc le plus petit n (verre) donne la lumière la plus rapide. Dans le diamant v = 3 × 10⁸/2,42 ≈ 1,24 × 10⁸ m/s, alors que dans le verre elle est de 2 × 10⁸ m/s.

7. La lumière passe de l'eau (n = 1,33) au verre (n = 1,5) avec un angle d'incidence de 30°. Trouve l'angle de réfraction.

Loi de Snell pour deux milieux : n₁ sin i = n₂ sin r. sin r = 1,33 × 0,5 / 1,5 ≈ 0,443, donc r ≈ 26,3°. Le rayon se rapproche de la normale parce que le verre est optiquement plus dense que l'eau.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. Quand la lumière passe de l'air au verre, elle :
2. La loi de Snell dit que, pour deux milieux donnés, la grandeur suivante est constante :
3. L'indice de réfraction d'un milieu est 2. La vitesse de la lumière dans ce milieu est :
4. Dans un bloc de verre rectangulaire, le rayon émergent est :
5. Quel milieu est optiquement le plus dense ?

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelles sont les lois de la réfraction ?

1) Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans un même plan. 2) Pour un couple de milieux donné et une couleur de lumière donnée, sin i / sin r est constant (loi de Snell).

Quel est l'indice de réfraction du verre ?

Environ 1,5 (verre crown environ 1,52). Cela veut dire que la lumière va 1,5 fois plus lentement dans le verre que dans le vide.

Qu'est-ce que le décalage latéral ?

C'est la distance perpendiculaire entre le rayon incident (prolongé) et le rayon émergent quand la lumière traverse un bloc de verre à faces parallèles.

Où c'est enseigné

ItalySecondaria di secondo grado – classe 1ªFoundations, optics, heat and mechanics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 2ªFoundations, optics, heat and mechanics
RomaniaClasa a VIII-aOptical phenomena
Ukraine9 класLight phenomena
CBSE (India)Class 10Natural Phenomena
Japan高校2年Waves
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Optics
FranceQuatrièmeSignals
FranceSecondeWaves and signals
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia9 классLight phenomena
Russia9 классLight phenomena
China八年级(初二)Ch.4 Light
China高二Selective 1 Ch.4 Light

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