Réfraction - Définition et Explications

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Introduction

Le pinceau nous paraît brisé à cause de la réfraction de la lumière lorsque celle-ci traverse le dioptre eau-air.
Réfraction.

La réfraction, en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des ondes — notamment en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...) et sismologie — est un phénomène de déviation d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) lorsque sa vitesse (On distingue :) change entre deux milieux. La réfraction survient généralement à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre deux milieux, ou lors d'un changement de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) ou d'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) du milieu.

On peut représenter une telle onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) par deux approches :

  • par son front d'onde : c'est la ligne que décrit une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les...) dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) (optique ondulatoire et sismologie) ;
  • par un rayon : c'est la direction de propagation de l'onde, perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au front d'onde (optique géométrique).

Les deux modèles sont équivalents dans le cas de la réfraction, cependant on préfèrera le premier pour expliquer le phénomène, et le second pour le quantifier.

Description

Le crayon nous paraît brisé à cause de la réfraction de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...).

La lumière est déviée lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre (par exemple : de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) à l'eau, ou le contraire…). C'est ce phénomène qu'on observe lorsque l'on regarde une paille dans un verre : celle-ci paraît brisée. Cette fracture apparente est à l'origine du mot réfraction.

La lumière est dite « réfractée » et la propriété qui caractérise les différents milieux transparents est la « réfringence », qui se traduit par une valeur numérique : l’ « indice de réfraction ».

Approche ondulatoire : Principe de Huygens-Fresnel

La célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un...) de la lumière n'est pas la même dans les deux milieux. Ce changement de valeur suffit à interpréter le changement de direction de l'onde. C'est Christian Huygens (Christian Huygens, ou Christian Huyghens, tel qu'il est connu dans les lettres françaises...) donne un modèle, en associant la propagation de la lumière à la propagation d'un front d'onde (1673) et l'utilisera pour expliquer la double réfraction du spath d'Islande (L’Islande, (en islandais Ísland, littéralement « terre de...), observée par Bartholin.

Le principe de Huygens-Fresnel

Le principe de Huygens-Fresnel stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles...) qu'à une interface, tous les points atteints par une onde venant d'un premier milieu réémettent une onde dans le second milieu. On peut alors interpréter la réfraction comme la déviation du front d'onde liée à la vitesse plus faible (ou plus rapide) de ces ondes réémises.

Huygens — s'opposant ainsi à Newton — considérait que la lumière était une onde, se propageant de proche en proche dans les milieux transparents. Il imaginait le front d'onde comme la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) d'ondelettes, de sorte qu'au passage d'un dioptre (En optique, un dioptre est une surface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction...), la célérité étant différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de part et d'autre, la taille des ondelettes était changée d'autant et le front dévié en conséquence. Le rapport des indices des milieux apparaît alors simplement comme le rapport des célérités :

\frac{n_1}{n_2} = \frac{v_2}{v_1}

On peut également utiliser ce même principe pour rendre compte de la réflexion (il suffit en effet de considérer la partie des ondelettes se déployant dans le premier milieu) et de la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...).

Construction de Huygens du rayon réfracté

Cette interprétation permet également une construction géométrique. Celle-ci est semblable à celle de Descartes, mais elle s'appuie sur la comparaison des célérités.

Les rayons à tracer sont alors en 1/n1 et 1/n2 et le raisonnement géométrique repose sur l'intersection commune des plans d'onde (point B), qui, par nature doivent être tangents aux ondelettes.

L'ondelette la plus grande correspond sur la figure à la position du front d'onde s'il n'y avait pas de dioptre (ici n2 > n1), tandis que le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) le plus petit correspond donc au front de l'onde diffractée.

Le rayon réfracté est donc bien selon (IC) (I étant le point (Graphie) d'incidence).

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