Science et technologie s1143

La déviation des ondes lumineuses

​Les ondes lumineuses forment la partie du spectre électromagnétique visible par l'être humain.

Les ondes lumineuses peuvent provenir de diverses sources: les ampoules électriques, le Soleil, le feu, etc. La lumière possède diverses propriétés que l'on utilise pour mettre au point diverses technologies, telles que la fibre optique ou les lunettes permettant de corriger des anomalies visuelles.

Entre autres, la lumière se propage en ligne droite. Toutefois, lorsqu'elle rencontre un obstacle, elle peut être réfléchie, déviée ou absorbée, en fonction de la capacité de l'obstacle à laisser passer les rayons lumineux. Lorsque les rayons lumineux sont déviés, trois phénomènes peuvent apparaître:

La réflexion

La réflexion est le phénomène par lequel les rayons lumineux rebondissent sur un obstacle et retournent vers le milieu d'où ils proviennent en changeant de direction.

La réflexion se produit lorsqu'un rayon lumineux qui se propage dans un milieu (par exemple l'air) rebondit au contact d'un autre milieu (comme un miroir ou la surface d'un objet). La réflexion d'un rayon lumineux suit deux lois:

  • L'angle d'incidence (|\theta_{i}|) est toujours égal à l'angle de réflexion (|\theta_{r}|).
  • Le rayon incident et le rayon réfléchi se trouvent toujours dans le même plan.
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Selon le type de surface que les rayons lumineux frappent, la réflexion peut se faire de deux façons.

Réflexion diffuse

La réflexion diffuse intervient sur les surfaces irrégulières (ou non-polies). La lumière est réfléchie dans plusieurs directions. Certaines surfaces, à l'oeil nu, peuvent nous sembler parfaitement lisses. Par exemple, une feuille de papier, à l'oeil nu, apparait lisse. Par contre, observée au microscope, elle s'avère plutôt inégale et rugueuse. Ainsi, lorsque les rayons lumineux frappent une surface inégale, ils sont réfléchis dans toutes les directions. Un tel type de réflexion ne peut pas former d'image réfléchie d'un objet. La plupart des objets qui nous entourent possèdent une surface de réflexion inégale.

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Réflexion spéculaire

La réflexion spéculaire est une réflexion régulière de la lumière. Contrairement à la réflexion diffuse, elle ne peut exister que si les rayons lumineux rencontrent une surface parfaitement plane ou polie.

Lorsque la lumière frappe une surface parfaitement lisse, tous les rayons lumineux sont réfléchis de façon parallèle. Les lois de la réflexion s'appliquent alors. C'est ce qui permet la formation d'une image fidèle à l'objet. Ce type de réflexion caractérise, entre autres, les miroirs et la surface d'un lac calme.

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La réflexion
Les miroirs plans
Les miroirs courbes

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La réfraction

La réfraction est la déviation d'un rayon lumineux lorsqu'il passe d'un milieu transparent à un autre.

Lorsque la lumière voyage dans un milieu donné, sa vitesse est constante. Toutefois, s'il lui arrive de passer dans un autre milieu, sa vitesse de propagation change étant donné que la vitesse de la lumière varie en fonction du milieu dans lequel elle voyage. Généralement, la lumière se propage moins vite dans les milieux ayant une masse volumique élevée. Ce changement de vitesse fait en sorte que le rayon est dévié de sa trajectoire initiale.

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La réfraction modifie notre perception des objets lorsqu'on les observe au travers d'un milieu transparent. Comme on peut le voir sur les photos ci-dessous, l'orientation du crayon et du pinceau semble différente dans l'eau comparativement à dans l'air. Les objets semblent alors brisés alors qu'ils ne le sont pas réellement. Les milieux qui possèdent la capacité de faire dévier les rayons lumineux sont qualifiés de réfringents. L'eau, le verre, le plastique, le diamant et l'huile sont des exemples de milieux réfringents.

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La réfraction
La loi de Snell-Descartes sur la réfraction
Les lentilles
Les lentilles (convergente, divergente)
Les images formées par les lentilles convergentes
Les images formées par les lentilles divergentes

La dispersion

La dispersion est le phénomène optique qui explique pourquoi la lumière blanche est séparée en ses couleurs constituantes lorsqu'elle traverse un milieu transparent.

Le schéma ci-dessous illustre le phénomène de dispersion. La lumière blanche pénètre dans le prisme à gauche de l'image. À l’intérieur du prisme, la lumière est séparée en sept rayons monochromatiques (formés par un seul rayon), soit le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet.

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Dans un arc-en-ciel, ce sont les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air qui agissent comme des prismes en séparant les couleurs.
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