Réfraction de la lumière

La réfraction est le changement de direction que peut subir une onde lumineuse lorsqu’elle passe d’un milieu à un autre où sa vitesse de propagation est différente. Il faut distinguer trois questions : la direction du rayon, sa vitesse et sa longueur d’onde.

Indice de réfraction et vitesse

n = c/v

c est la vitesse de la lumière dans le vide et v sa vitesse de phase dans le milieu. Un indice plus grand correspond, dans ce modèle, à une vitesse plus faible.

L’indice dépend du matériau et généralement aussi de la longueur d’onde : il faut donc éviter de considérer n comme une constante absolue du matériau.

Light ray bends at a boundary according to refractive indices milieu 1, n₁milieu 2, n₂ > n₁ θ₁θ₂n plus grand : lumière plus lente et rayon vers la normale
Les angles se mesurent par rapport à la normale. Vers un indice plus élevé, le rayon se rapproche de la normale ; vers un indice plus faible, il s’en écarte.

Loi de Snell-Descartes

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Les deux angles sont mesurés par rapport à la normale. Si n₂ > n₁, le rayon transmis se rapproche de la normale. Si n₂ < n₁, il s’en éloigne.

À incidence normale, θ₁ = 0 : la vitesse et la longueur d’onde changent, mais pas la direction.

Explorer la loi de Snell-Descartes

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Ce qui ne change pas à l’interface

À une interface immobile, la fréquence de la lumière transmise reste celle de la source. La vitesse et la longueur d’onde changent ensemble selon v = fλ.

L’onde réfléchie reste dans le premier milieu : sa vitesse et sa longueur d’onde y sont donc les mêmes que celles de l’onde incidente.

Wavefront spacing changes across a refracting boundary while frequency remains constant même fréquence source des deux côtés v₂ < v₁λ₂ < λ₁f₂ = f₁fronts plus rapprochés : longueur d’onde plus courte
La fréquence est imposée par la source et reste continue à une interface immobile. Comme v = fλ, une vitesse différente entraîne une longueur d’onde différente.

Dispersion dans les matériaux réels

Dans beaucoup de matériaux transparents, n varie avec la longueur d’onde. Un prisme peut ainsi dévier différemment les couleurs d’une lumière blanche. Les lentilles simples peuvent aussi présenter une aberration chromatique.

La loi de Snell-Descartes reste valable, mais il faut utiliser l’indice correspondant à la longueur d’onde étudiée.

Direction, vitesse et longueur d’onde : trois étapes

Utilisez Snell-Descartes pour la direction, n = c/v pour la vitesse, puis v = fλ pour la longueur d’onde. Cette séparation évite l’erreur fréquente consistant à dire que la fréquence change lors d’une réfraction.

Autre piège classique : mesurer l’angle par rapport à la surface. Un rayon à 20° de la surface est à 70° de la normale.

Exercices résolus

1. Air vers verre

La lumière passe de l’air (n = 1,00) au verre (n = 1,50) avec θ₁ = 30°. Trouver θ₂.

Solution

sin θ₂ = (1,00/1,50)sin 30° = 0,3333, donc θ₂ ≈ 19,5°.

2. Vitesse

Quelle est la vitesse de la lumière dans un milieu d’indice 1,33 si c = 3,00 × 10⁸ m s⁻¹ ?

Solution

v = c/n ≈ 2,26 × 10⁸ m s⁻¹.

3. Longueur d’onde

Une onde de 600 nm dans l’air entre dans un verre d’indice 1,50. Quelle longueur d’onde approximative a-t-elle dans le verre ?

Solution

La fréquence reste constante et λ ≈ 600/1,50 = 400 nm.