Réfraction - Refraction

Un rayon de lumière réfracté dans un bloc en plastique.

En physique , la réfraction est le changement de direction d'une onde passant d'un milieu à un autre ou d'un changement progressif du milieu. La réfraction de la lumière est le phénomène le plus couramment observé, mais d'autres ondes telles que les ondes sonores et les ondes d'eau subissent également une réfraction. Le degré de réfraction d'une onde est déterminé par le changement de vitesse de l'onde et la direction initiale de propagation de l'onde par rapport à la direction du changement de vitesse.

Pour la lumière, la réfraction suit la loi de Snell , qui stipule que, pour une paire de milieux donnée, le rapport des sinus de l' angle d'incidence θ 1 et de l' angle de réfraction θ 2 est égal au rapport des vitesses de phase ( v 1 / v 2 ) dans les deux milieux, ou de manière équivalente, aux indices de réfraction ( n 2 / n 1 ) des deux milieux.

Réfraction de la lumière à l'interface entre deux milieux d'indices de réfraction différents, avec n 2 > n 1 . La vitesse de phase étant plus faible dans le second milieu (v 2 <v 1 ), l'angle de réfraction θ 2 est inférieur à l'angle d'incidence θ 1 ; c'est-à-dire que le rayon dans le milieu à indice supérieur est plus proche de la normale.

Les prismes optiques et les lentilles utilisent la réfraction pour rediriger la lumière, tout comme l'œil humain . L'indice de réfraction des matériaux varie avec la longueur d' onde de la lumière, et donc l'angle de réfraction varie également en conséquence. Ceci est appelé dispersion et fait que les prismes et les arcs- en- ciel divisent la lumière blanche en ses couleurs spectrales constituantes .

Lumière

Un stylo partiellement immergé dans un bol d'eau semble plié en raison de la réfraction à la surface de l'eau.

La réfraction de la lumière peut être observée à de nombreux endroits de notre vie quotidienne. Cela rend les objets sous la surface de l'eau plus proches qu'ils ne le sont réellement. C'est sur quoi reposent les lentilles optiques , permettant l'utilisation d'instruments tels que des lunettes , des appareils photo , des jumelles , des microscopes et l' œil humain . La réfraction est également responsable de certains phénomènes optiques naturels, notamment les arcs -en- ciel et les mirages .

Explication générale

Lorsqu'une onde se déplace dans un milieu plus lent, les fronts d'onde sont comprimés. Pour que les fronts d'onde restent connectés à la frontière, l'onde doit changer de direction.

Une explication correcte de la réfraction implique deux parties distinctes, toutes deux résultant de la nature ondulatoire de la lumière.

  1. La lumière ralentit lorsqu'elle traverse un milieu autre que le vide (comme l'air, le verre ou l'eau). Ce n'est pas à cause de la diffusion ou de l'absorption. C'est plutôt parce que, en tant qu'oscillation électromagnétique , la lumière elle-même fait osciller d'autres particules chargées électriquement comme les électrons . Les électrons oscillants émettent leurs propres ondes électromagnétiques qui interagissent avec la lumière d'origine. L'onde «combinée» résultante a des paquets d'ondes qui passent un observateur à une vitesse plus lente. La lumière a effectivement été ralentie. Lorsque la lumière revient dans le vide et qu'il n'y a pas d'électrons à proximité, cet effet de ralentissement prend fin et sa vitesse revient à c .
  2. Lorsque la lumière entre, sort ou change de milieu dans lequel elle se déplace, selon un angle, un côté ou l'autre du front d'onde est ralenti avant l'autre. Ce ralentissement asymétrique de la lumière lui fait changer l'angle de sa course. Une fois que la lumière est dans le nouveau milieu avec des propriétés constantes, elle se déplace à nouveau en ligne droite.

Explication du ralentissement de la lumière dans un milieu

Comme décrit ci-dessus, la vitesse de la lumière est plus lente dans un milieu autre que le vide. Ce ralentissement s'applique à tout milieu tel que l'air, l'eau ou le verre, et est responsable de phénomènes tels que la réfraction. Lorsque la lumière quitte le milieu et revient dans le vide, sans tenir compte des effets de la gravité , sa vitesse revient à la vitesse habituelle de la lumière dans le vide, c .

Les explications courantes de ce ralentissement, basées sur l'idée de diffusion de la lumière à partir d'atomes ou d'être absorbée et réémise par les atomes, sont toutes deux incorrectes. Des explications comme celles-ci provoqueraient un effet de "flou" dans la lumière résultante, car elle ne se déplacerait plus dans une seule direction. Mais cet effet ne se voit pas dans la nature.

Une explication plus correcte repose sur la nature de la lumière en tant qu'onde électromagnétique . Parce que la lumière est une onde électrique / magnétique oscillante, la lumière voyageant dans un milieu fait aussi osciller les électrons chargés électriquement du matériau. (Les protons du matériau oscillent également mais comme ils sont environ 2000 fois plus massifs, leur mouvement et donc leur effet sont beaucoup plus faibles). Une charge électrique en mouvement émet ses propres ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques émises par les électrons oscillants, interagissent avec les ondes électromagnétiques qui composent la lumière d'origine, comme les ondes de l'eau sur un étang, un processus connu sous le nom d' interférence constructive . Lorsque deux ondes interfèrent de cette manière, l'onde "combinée" résultante peut avoir des paquets d'ondes qui passent un observateur à une vitesse plus lente. La lumière a effectivement été ralentie. Lorsque la lumière quitte le matériau, cette interaction avec les électrons ne se produit plus, et donc le débit des paquets d'ondes (et donc sa vitesse) revient à la normale.

Explication de la flexion de la lumière lorsqu'elle entre et sort d'un milieu

Considérons une vague allant d'un matériau à un autre où sa vitesse est plus lente que sur la figure. S'il atteint l'interface entre les matériaux à un angle, un côté de l'onde atteindra le deuxième matériau en premier et ralentira donc plus tôt. Avec un côté de la vague qui va plus lentement, la vague entière pivotera vers ce côté. C'est pourquoi une vague se pliera loin de la surface ou vers la normale lorsqu'elle entre dans un matériau plus lent. Dans le cas contraire d'une vague atteignant un matériau où la vitesse est plus élevée, un côté de la vague accélérera et la vague pivotera loin de ce côté.

Une autre façon de comprendre la même chose est de considérer le changement de longueur d'onde à l'interface. Lorsque l'onde passe d'un matériau à un autre où l'onde a une vitesse v différente , la fréquence f de l'onde restera la même, mais la distance entre les fronts d'onde ou la longueur d'onde λ = v / f changera. Si la vitesse est diminuée, comme sur la figure de droite, la longueur d'onde diminuera également. Avec un angle entre les fronts d'onde et l'interface et un changement de distance entre les fronts d'onde, l'angle doit changer sur l'interface pour garder les fronts d'onde intacts. A partir de ces considérations, la relation entre l' angle d'incidence θ 1 , l'angle de transmission θ 2 et les vitesses d'onde v 1 et v 2 dans les deux matériaux peut être déduite. C'est la loi de la réfraction ou la loi de Snell et peut s'écrire

.

Le phénomène de réfraction peut être dérivé de manière plus fondamentale de l' équation d'onde à 2 ou 3 dimensions . La condition aux limites à l'interface exigera alors que la composante tangentielle du vecteur d'onde soit identique des deux côtés de l'interface. Étant donné que l'amplitude du vecteur d'onde dépend de la vitesse d'onde, cela nécessite un changement de direction du vecteur d'onde.

La vitesse de l'onde pertinente dans la discussion ci-dessus est la vitesse de phase de l'onde. Ceci est généralement proche de la vitesse du groupe qui peut être considérée comme la vitesse la plus vraie d'une onde, mais quand elles diffèrent, il est important d'utiliser la vitesse de phase dans tous les calculs relatifs à la réfraction.

Une onde se déplaçant perpendiculairement à une frontière, c'est-à-dire ayant ses fronts d'onde parallèles à la frontière, ne changera pas de direction même si la vitesse de l'onde change.

Loi de la réfraction

Pour la lumière, l' indice de réfraction n d'un matériau est plus souvent utilisé que la vitesse de phase d'onde v dans le matériau. Ils sont, cependant, directement liés par la vitesse de la lumière dans le vide c comme

.

En optique , par conséquent, la loi de réfraction est généralement écrite comme

.

Réfraction dans une surface d'eau

Une partie de crayon immergée dans l'eau semble pliée en raison de la réfraction: les ondes lumineuses de X changent de direction et semblent donc provenir de Y.

La réfraction se produit lorsque la lumière traverse une surface de l'eau, car l'eau a un indice de réfraction de 1,33 et l'air a un indice de réfraction d'environ 1. En regardant un objet droit, comme un crayon dans la figure ici, qui est placé en biais, partiellement dans l'eau, l'objet semble se plier à la surface de l'eau. Cela est dû à la flexion des rayons lumineux lorsqu'ils passent de l'eau à l'air. Une fois que les rayons atteignent l'œil, l'œil les retrace sous forme de lignes droites (lignes de visée). Les lignes de visée (représentées sous forme de lignes pointillées) se croisent à une position plus élevée que l'endroit où les rayons réels sont originaires. Cela fait apparaître le crayon plus haut et l'eau moins profonde qu'elle ne l'est réellement.

La profondeur à laquelle l'eau semble être vue d'en haut est appelée profondeur apparente . Il s'agit d'une considération importante pour la pêche sous- marine à partir de la surface, car elle donnera l'impression que le poisson cible se trouve à un endroit différent, et le pêcheur doit viser plus bas pour attraper le poisson. Inversement, un objet au-dessus de l'eau a une hauteur apparente plus élevée vu du dessous de l'eau. La correction inverse doit être faite par un poisson archer .

Pour les petits angles d'incidence (mesurés à partir de la normale, lorsque sin θ est approximativement le même que tan θ), le rapport de la profondeur apparente à la profondeur réelle est le rapport des indices de réfraction de l'air à celui de l'eau. Mais, comme l'angle d'incidence se rapproche de 90 ° , la profondeur apparente se rapproche de zéro, bien que des augmentations de réflexion, ce qui limite l' observation à des angles d'incidence. Inversement, la hauteur apparente se rapproche de l'infini à mesure que l'angle d'incidence (par le bas) augmente, mais encore plus tôt, à l' approche de l'angle de réflexion interne totale , bien que l'image disparaisse également de la vue à l'approche de cette limite.

Une image du Golden Gate Bridge est réfractée et pliée par de nombreuses gouttes d'eau tridimensionnelles différentes.

Dispersion

La réfraction est également responsable des arcs-en - ciel et de la division de la lumière blanche en un spectre arc-en-ciel lorsqu'elle passe à travers un prisme de verre . Le verre a un indice de réfraction plus élevé que l'air. Lorsqu'un faisceau de lumière blanche passe de l'air à un matériau ayant un indice de réfraction qui varie avec la fréquence, un phénomène connu sous le nom de dispersion se produit, dans lequel différentes composantes colorées de la lumière blanche sont réfractées à différents angles, c'est-à-dire qu'elles se courbent de différents montants à l'interface, de sorte qu'ils se séparent. Les différentes couleurs correspondent à des fréquences différentes.

Réfraction atmosphérique

Le soleil apparaît légèrement aplati lorsqu'il est proche de l'horizon en raison de la réfraction dans l'atmosphère.

L'indice de réfraction de l'air dépend de la densité de l'air et varie donc avec la température et la pression de l' air . Étant donné que la pression est plus faible à des altitudes plus élevées, l'indice de réfraction est également plus faible, ce qui entraîne la réfraction des rayons lumineux vers la surface de la terre lorsqu'ils parcourent de longues distances dans l'atmosphère. Cela change légèrement les positions apparentes des étoiles lorsqu'elles sont proches de l'horizon et rend le soleil visible avant qu'il ne s'élève géométriquement au-dessus de l'horizon lors d'un lever de soleil.

Brume de chaleur dans l'échappement du moteur au-dessus d'une locomotive diesel .

Les variations de température de l'air peuvent également provoquer une réfraction de la lumière. Cela peut être considéré comme une brume de chaleur lorsque l'air chaud et froid est mélangé, par exemple au-dessus d'un feu, dans l'échappement du moteur ou lors de l'ouverture d'une fenêtre par temps froid. Cela donne l'impression que les objets vus à travers l'air mélangé scintillent ou se déplacent au hasard lorsque l'air chaud et froid se déplace. Cet effet est également visible à partir des variations normales de la température de l'air pendant une journée ensoleillée lors de l'utilisation de téléobjectifs à fort grossissement et limite souvent la qualité de l'image dans ces cas. De la même manière, la turbulence atmosphérique donne des distorsions variant rapidement dans les images des télescopes astronomiques limitant la résolution des télescopes terrestres n'utilisant pas d' optique adaptative ou d'autres techniques pour surmonter ces distorsions atmosphériques .

Mirage sur une route chaude.

Les variations de température de l'air à proximité de la surface peuvent donner lieu à d'autres phénomènes optiques, tels que les mirages et Fata Morgana . Le plus souvent, l'air chauffé par une route chaude par une journée ensoleillée dévie la lumière qui s'approche à un angle peu profond vers un spectateur. Cela donne à la route un aspect réfléchissant, donnant une illusion d'eau recouvrant la route.

Signification clinique

En médecine , en particulier en optométrie , en ophtalmologie et en orthoptique , la réfraction (également appelée réfractométrie ) est un test clinique dans lequel un phoroptère peut être utilisé par le professionnel de la vue approprié pour déterminer l' erreur de réfraction de l'œil et les meilleures lentilles correctrices à prescrire. Une série de lentilles de test avec des puissances optiques graduées ou des distances focales est présentée pour déterminer laquelle fournit la vision la plus nette et la plus claire.

Galerie

Simulation 2D: réfraction d'une particule quantique. La moitié noire du fond est un potentiel nul, la moitié grise est un potentiel plus élevé. Le flou blanc représente la distribution de probabilité de trouver une particule à un endroit donné si elle est mesurée.

Vagues d'eau

Les vagues d'eau sont presque parallèles à la plage lorsqu'elles la frappent car elles se réfractent progressivement vers la terre à mesure que l'eau devient moins profonde.

Les vagues d'eau se déplacent plus lentement dans les eaux moins profondes. Cela peut être utilisé pour démontrer la réfraction dans les réservoirs à ondulation et explique également pourquoi les vagues sur un rivage ont tendance à frapper le rivage près d'un angle perpendiculaire. Au fur et à mesure que les vagues se déplacent des eaux profondes aux eaux moins profondes près du rivage, elles sont réfractées de leur direction originale de déplacement à un angle plus normal par rapport au rivage.

Acoustique

En acoustique sous-marine , la réfraction est la flexion ou la courbure d'un rayon sonore qui se produit lorsque le rayon passe à travers un gradient de vitesse du son d'une région d'une vitesse sonore à une région d'une vitesse différente. La quantité de flexion des rayons dépend de la quantité de différence entre les vitesses du son, c'est-à-dire la variation de température, de salinité et de pression de l'eau. Des effets acoustiques similaires se retrouvent également dans l' atmosphère terrestre . Le phénomène de réfraction du son dans l'atmosphère est connu depuis des siècles; Cependant, à partir du début des années 1970, une analyse généralisée de cet effet est devenue à la mode grâce à la conception d' autoroutes urbaines et de murs antibruit pour faire face aux effets météorologiques de la flexion des rayons sonores dans la basse atmosphère.

Voir également

Références

Liens externes