Le Crayon Cassé : Mystère de la Lumière dans l'Eau
La lumière change de chemin !
As-tu déjà remarqué qu'un crayon plongé à moitié dans un verre d'eau semble "cassé" ou tordu à la surface de l'eau ? Ce n'est pas une illusion magique, mais un phénomène physique appelé la réfraction de la lumière. La lumière ne voyage pas toujours en ligne droite. Lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre (par exemple, de l'air à l'eau, ou de l'eau à l'air), sa direction de propagation est modifiée : elle est déviée. C'est cette déviation que nous allons étudier.
L'Expérience du Rayon Laser
- Il dirige un rayon laser rouge depuis l'air vers la surface de l'eau.
- Il observe que le rayon lumineux change de direction en entrant dans l'eau.
- À l'aide d'un rapporteur, il mesure les angles par rapport à la normale (une ligne imaginaire perpendiculaire à la surface de l'eau au point où le rayon lumineux la frappe).
- Pour un certain essai, il mesure :
- Angle d'incidence (angle entre le rayon venant de l'air et la normale) : \(i_1 = 45^\circ\).
- Angle de réfraction (angle entre le rayon dans l'eau et la normale) : \(i_2 = 32^\circ\).
Schéma : Réfraction d'un rayon lumineux de l'air vers l'eau
Un rayon lumineux passe de l'air à l'eau et change de direction.
Questions à traiter
- Qu'est-ce que le phénomène de réfraction de la lumière ?
- Sur le schéma fourni (ou sur un schéma que tu reproduiras), identifie et nomme :
- Le milieu 1 (d'où vient la lumière).
- Le milieu 2 (où la lumière pénètre).
- La surface de séparation (aussi appelée dioptre).
- La normale.
- Le rayon incident.
- Le rayon réfracté.
- L'angle d'incidence (\(i_1\)).
- L'angle de réfraction (\(i_2\)).
- En utilisant les valeurs données par M. Fresnel (\(i_1 = 45^\circ\) et \(i_2 = 32^\circ\)) :
- Compare l'angle d'incidence et l'angle de réfraction. Lequel est le plus grand ?
- Quand la lumière passe de l'air à l'eau, se rapproche-t-elle ou s'éloigne-t-elle de la normale ?
- Si le rayon lumineux passait de l'eau vers l'air avec un angle d'incidence dans l'eau de \(32^\circ\), quel serait, d'après le principe de retour inverse de la lumière, l'angle de réfraction dans l'air ? Le rayon se rapprocherait-il ou s'éloignerait-il de la normale en sortant de l'eau ?
- Explique brièvement pourquoi un crayon plongé à moitié dans un verre d'eau semble "cassé" au niveau de la surface de l'eau.
Correction : Le Mystère de la Lumière dans l'Eau
Question 1 : Définition de la réfraction
Réponse :
La réfraction de la lumière est le changement de direction que subit un rayon lumineux lorsqu'il traverse la surface de séparation (appelée dioptre) entre deux milieux transparents différents (par exemple, de l'air à l'eau, ou du verre à l'air). Ce changement de direction est dû à un changement de la vitesse de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre.
Question 2 : Identification des éléments sur le schéma
Réponse :
En se référant au schéma fourni :
- Milieu 1 : L'Air (d'où vient la lumière).
- Milieu 2 : L'Eau (où la lumière pénètre).
- Surface de séparation (dioptre) : La ligne horizontale qui sépare l'air et l'eau.
- La normale : La ligne pointillée verticale, perpendiculaire à la surface de séparation au point où le rayon lumineux la rencontre (point d'incidence).
- Le rayon incident : Le rayon lumineux qui arrive sur la surface de séparation (venant de l'air).
- Le rayon réfracté : Le rayon lumineux qui continue son chemin dans le deuxième milieu (l'eau) après avoir été dévié.
- L'angle d'incidence (\(i_1\)) : L'angle entre le rayon incident et la normale.
- L'angle de réfraction (\(i_2\)) : L'angle entre le rayon réfracté et la normale.
Question 3 : Comparaison des angles (\(i_1 = 45^\circ\), \(i_2 = 32^\circ\))
Réponse a) Comparaison :
L'angle d'incidence \(i_1 = 45^\circ\).
L'angle de réfraction \(i_2 = 32^\circ\).
On constate que \(45^\circ > 32^\circ\), donc l'angle d'incidence (\(i_1\)) est plus grand que l'angle de réfraction (\(i_2\)).
Réponse b) Déviation par rapport à la normale :
Puisque l'angle de réfraction (\(i_2 = 32^\circ\)) est plus petit que l'angle d'incidence (\(i_1 = 45^\circ\)), cela signifie que le rayon lumineux, en passant de l'air à l'eau, se rapproche de la normale.
Quiz Intermédiaire 1 : Quand un rayon lumineux passe d'un milieu moins réfringent (comme l'air) à un milieu plus réfringent (comme l'eau), il :
Question 4 : Passage de l'eau vers l'air
Réponse :
Le principe de retour inverse de la lumière stipule que si la lumière suit un certain chemin d'un point A à un point B, elle suivra exactement le même chemin si elle part de B pour aller vers A.
Donc, si un rayon lumineux passe de l'eau (milieu 1 maintenant) vers l'air (milieu 2 maintenant) avec un angle d'incidence dans l'eau de \(32^\circ\), l'angle de réfraction dans l'air sera de \(45^\circ\).
Dans ce cas, l'angle de réfraction (\(45^\circ\)) est plus grand que l'angle d'incidence (\(32^\circ\)). Le rayon lumineux s'éloignerait de la normale en sortant de l'eau pour entrer dans l'air.
Question 5 : Le crayon "cassé"
Réponse :
Un crayon plongé à moitié dans un verre d'eau semble "cassé" à la surface de l'eau à cause du phénomène de réfraction de la lumière.
La lumière qui vient de la partie du crayon immergée dans l'eau change de direction lorsqu'elle passe de l'eau à l'air avant d'atteindre nos yeux. Nos yeux (et notre cerveau) interprètent la lumière comme si elle avait voyagé en ligne droite. Comme le trajet de la lumière a été dévié à la surface de l'eau, la partie immergée du crayon nous apparaît à un endroit différent de ce qu'elle serait si la lumière n'avait pas été déviée. Cela donne l'illusion que le crayon est plié ou cassé au niveau de la surface.
Quiz Intermédiaire 2 : La réfraction se produit parce que la lumière :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. L'angle d'incidence est l'angle entre le rayon incident et :
2. Quand la lumière passe de l'air à un milieu plus réfringent (comme le verre ou l'eau), l'angle de réfraction est généralement :
3. Le phénomène qui explique pourquoi une paille dans un verre d'eau semble "cassée" est :
Glossaire
- Lumière
- Forme d'énergie visible qui se propage sous forme d'ondes (ou de particules appelées photons). Elle voyage en ligne droite dans un milieu homogène.
- Réfraction
- Changement de direction d'un rayon lumineux lorsqu'il passe d'un milieu transparent à un autre de densité optique différente.
- Milieu transparent
- Substance qui laisse passer la lumière (exemples : air, eau, verre).
- Surface de séparation (ou Dioptre)
- Limite entre deux milieux transparents différents (ex: la surface de l'eau en contact avec l'air).
- Normale
- Ligne imaginaire perpendiculaire à la surface de séparation, tracée au point où le rayon lumineux frappe cette surface (point d'incidence).
- Rayon Incident
- Rayon lumineux qui arrive sur la surface de séparation.
- Rayon Réfracté
- Rayon lumineux qui continue son chemin dans le deuxième milieu après avoir été dévié par la réfraction.
- Angle d'incidence (\(i_1\) ou \(i\))
- Angle formé entre le rayon incident et la normale.
- Angle de réfraction (\(i_2\) ou \(r\))
- Angle formé entre le rayon réfracté et la normale.
- Principe de retour inverse de la lumière
- Si la lumière peut voyager d'un point A à un point B en suivant un certain trajet, elle peut aussi voyager du point B au point A en suivant exactement le même trajet en sens inverse.
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