Réfraction

la réfraction de la lumière peut être observée dans de nombreux endroits de notre vie quotidienne. Cela fait apparaître des objets sous une surface d’eau plus proches qu’ils ne le sont réellement. C’est ce sur quoi les lentilles optiques sont basées, permettant des instruments tels que des lunettes, des caméras, 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.,

présentation Générale

Une explication correcte de la réfraction comporte deux parties distinctes, à la fois une conséquence 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 telles que 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’onde qui passent un observateur à un rythme plus lent. 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 se termine et sa vitesse revient à C.,
2. lorsque la lumière entre, sort ou change le milieu dans lequel elle se déplace, sous un angle, un côté ou l’autre du front d’onde est ralenti avant l’autre. Ce ralentissement asymétrique de la lumière l’amène à modifier l’angle de son déplacement. 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 support 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 retourne dans le vide, et ignorant tout effet 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 la diffusion de la lumière, 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 voyagerait plus dans une seule direction. Mais cet effet n’est pas vu 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 osciller également 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, est beaucoup plus petit). Une charge électrique en mouvement émet des ondes électromagnétiques qui lui sont propres. Les ondes électromagnétiques émises par les électrons oscillants interagissent avec les ondes électromagnétiques qui composent la lumière d’origine, semblables aux ondes d’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 un rythme plus lent. La lumière a effectivement été ralentie. Lorsque la lumière quitte le matériau, cette interaction avec les électrons ne se produit plus, et donc le taux de paquets d’ondes (et donc sa vitesse) revient à la normale.

explication de la flexion de la lumière à l’entrée et à la sortie d’un milieu

considérons une onde allant d’un matériau à un autre où sa vitesse est plus lente comme sur la figure., Si elle atteint l’interface entre les matériaux à un angle d’un côté de l’onde atteindra le deuxième matériau en premier, et donc ralentir plus tôt. Avec un côté de la vague va plus lent toute la vague va pivoter vers ce côté. C’est pourquoi une vague se pliera loin de la surface ou vers la normale en entrant dans un matériau Plus lent. Dans le cas contraire d’une onde atteignant un matériau où la vitesse est plus élevée, un côté de l’onde accélérera et l’onde 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., À partir de ces considérations, on peut déduire la relation entre l’angle d’incidence θ1, l’angle de transmission θ2 et les vitesses d’onde v1 et v2 dans les deux matériaux. C’est la loi de la réfraction ou de la loi de Snell et peut être écrite sous la forme

le péché ⁡ θ 1 sin ⁡ θ 2 = v 1 v 2 {\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}} .

le phénomène de réfraction peut d’une manière plus fondamentale être dérivé de l’équation d’onde à 2 ou 3 dimensions., La condition aux limites de l’interface nécessitera alors que la composante tangentielle du vecteur d’onde soit identique sur les deux côtés de l’interface. Depuis la magnitude du vecteur d’onde dépend de la vitesse d’onde cela nécessite un changement dans la direction du vecteur d’onde.

pertinentes de la vitesse d’onde dans la discussion ci-dessus est la vitesse de phase de l’onde. Ceci est généralement proche de la vitesse de groupe qui peut être considérée comme la vitesse plus vraie d’une onde, mais quand ils 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 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

N = c V {\displaystyle n={\frac {c}{v}}} .,

Dans l’optique, par conséquent, la loi de la réfraction est généralement écrit que

n 1 sin ⁡ θ 1 = n 2 sin ⁡ θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}} .

réfraction à la surface de l’eau

la réfraction se produit lorsque la lumière traverse une surface de l’eau et l’air a un indice de réfraction d’environ 1., En regardant un objet droit, tel qu’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 trace comme des lignes droites (lignes de vue). Les lignes de visée (représentées en pointillés) se croisent à une position plus élevée que celle où les rayons réels ont pris naissance. Cela fait apparaître le crayon plus haut et l’eau moins profonde qu’elle ne l’est réellement.,

la profondeur que l’eau semble être vue d’en haut est connue sous le nom de profondeur apparente. Il s’agit d’une considération importante pour la pêche sous-marine à partir de la surface, car cela 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 lorsqu’il est vu sous l’eau. La correction opposée 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, à mesure que l’angle d’incidence approche 90o, la profondeur apparente approche zéro, bien que la réflexion augmente, ce qui limite l’observation à des angles d’incidence élevés., Inversement, la hauteur apparente approche l’infini à mesure que l’angle d’incidence (par le bas) augmente, mais encore plus tôt, à mesure que l’angle de réflexion interne totale est approché, bien que l’image s’estompe également à mesure que cette limite est approchée.

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 traverse 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 dans un matériau ayant un indice de réfraction qui varie avec la fréquence, un phénomène appelé dispersion se produit, dans lequel différentes composantes colorées de la lumière blanche sont réfractées à différents angles, c’est-à-dire qu’elles se plient de différentes quantités à l’interface, de sorte qu’elles se séparent. Les différentes couleurs correspondent à différentes fréquences.,

la réfraction Atmosphérique

L’indice de réfraction de l’air dépend de la densité de l’air et donc varier avec la température de l’air et de la pression. Étant donné que la pression est plus faible à des altitudes plus élevées, l’indice de réfraction est également plus faible, ce qui provoque la réfraction des rayons lumineux vers la surface de la terre lors de voyages sur de longues distances à travers l’atmosphère., Cela déplace légèrement les positions apparentes des étoiles lorsqu’elles sont proches de l’horizon et rend le soleil visible avant qu’il ne se lève géométriquement au-dessus de l’horizon lors d’un lever de soleil.

les variations de Température dans l’air peuvent aussi causer de la réfraction de la lumière. Cela peut être considéré comme une brume de chaleur lorsque de l’air chaud et froid est mélangé, par exemple au-dessus d’un feu, dans les gaz d’échappement du moteur ou lors de l’ouverture d’une fenêtre par temps froid., Cela fait que les objets vus à travers l’air mélangé semblent scintiller ou se déplacer au hasard lorsque l’air chaud et froid se déplace. Cet effet est également visible par les 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 variables rapidement dans les images des télescopes astronomiques limitant la résolution des télescopes terrestres n’utilisant pas l’optique adaptative ou d’autres techniques pour surmonter ces distorsions atmosphériques.,

Les variations de température de l’Air près 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 s’approchant à un angle peu profond vers un spectateur. Cela fait que la route semble se refléter, donnant une illusion d’eau recouvrant la route.,

signification clinique

en médecine, en particulier en optométrie, en ophtalmologie et en Orthoptie, 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 meilleurs verres correcteurs à prescrire. Une série de lentilles de test de puissances optiques ou de focales graduées sont présentées pour déterminer celles qui offrent la vision la plus nette et la plus claire.,

Galerie