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Lois de la Réfraction

Lois de la Réfraction

Comprendre la Lois de la Réfraction

Un rayon lumineux passe de l’air dans l’eau. On souhaite étudier la réfraction de ce rayon lumineux.

Données:

  • Indice de réfraction de l’air, \( n_{\text{air}} = 1 \)
  • Indice de réfraction de l’eau, \( n_{\text{eau}} = 1.33 \).
  • Angle d’incidence, \( i = 30^\circ \)

Questions:

1. Calcul de l’angle de réfraction:
Utilisez la loi de Snell-Descartes pour calculer l’angle de réfraction \( r \) du rayon lumineux lorsqu’il passe de l’air à l’eau. La loi de Snell-Descartes est donnée par :
\( n_{\text{air}} \cdot \sin(i) = n_{\text{eau}} \cdot \sin(r) \)

2. Interprétation:
Expliquez comment l’angle de réfraction change si l’angle d’incidence augmente. Que se passe-t-il lorsque l’angle d’incidence atteint 90° ?

3. Application supplémentaire:
Imaginez maintenant que le rayon lumineux passe de l’eau à l’air. Avec le même angle d’incidence de 30° dans l’eau, déterminez s’il y a réfraction ou réflexion totale interne. Justifiez votre réponse.

Correction : Lois de la Réfraction

1. Calcul de l’angle de réfraction

Lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu à un autre, sa direction change selon la loi de Snell-Descartes qui s’exprime par :

\[ n_1 \cdot \sin(i) = n_2 \cdot \sin(r) \]

Dans notre cas, le rayon passe de l’air (\(n_{\text{air}} = 1\)) à l’eau (\(n_{\text{eau}} = 1.33\)) avec un angle d’incidence \(i = 30^\circ\).

Formule :

\[ n_{\text{air}} \cdot \sin(i) = n_{\text{eau}} \cdot \sin(r) \]

Donc :

\[ \sin(r) = \frac{n_{\text{air}}}{n_{\text{eau}}} \cdot \sin(i) \]

Substitution des données :

\[ \sin(r) = \frac{1}{1.33} \cdot \sin(30^\circ) \]

Sachant que \(\sin(30^\circ) = 0.5\), on a :

\[ \sin(r) = \frac{1}{1.33} \cdot 0.5 \approx 0.3759 \]

Calcul :

Pour trouver \(r\), on prend l’arc sinus de 0.3759 :

\[ r = \arcsin(0.3759) \approx 22^\circ \]

2. Interprétation

Effet de l’augmentation de l’angle d’incidence :
  • Observation générale :

Lorsque l’angle d’incidence \(i\) augmente, \(\sin(i)\) augmente. D’après la formule \(\sin(r) = \frac{n_{\text{air}}}{n_{\text{eau}}} \cdot \sin(i)\) l’angle de réfraction \(r\) augmente également, mais toujours dans la limite imposée par la relation trigonométrique (c’est-à-dire \(r\) ne peut jamais dépasser 90°).

  • Cas particulier lorsque \(i = 90^\circ\) :
    Si l’angle d’incidence atteint \(90^\circ\), alors \(\sin(90^\circ)=1\).
    On obtient donc :

\[ \sin(r) = \frac{1}{1.33} \cdot 1 \approx 0.7519 \]

Ce qui donne :

\[ r \approx \arcsin(0.7519) \approx 48.75^\circ \]

Interprétation :

Même si l’angle d’incidence est de \(90^\circ\) (rayon incident parallèle à la surface), l’angle de réfraction reste bien inférieur à \(90^\circ\). Cela illustre que le rayon se rapproche de la normale dans le milieu où l’indice est plus élevé (ici l’eau).

3. Application supplémentaire : Passage de l’eau à l’air

Situation :
Maintenant, le rayon lumineux passe de l’eau (\(n_{\text{eau}} = 1.33\)) à l’air (\(n_{\text{air}} = 1\)) avec un angle d’incidence de \(30^\circ\) dans l’eau.

Formule adaptée :

Pour le passage de l’eau à l’air, la loi de Snell s’écrit :

\[ n_{\text{eau}} \cdot \sin(i) = n_{\text{air}} \cdot \sin(r) \]

D’où :

\[ \sin(r) = n_{\text{eau}} \cdot \sin(i) \]

Substitution des données :

\[ \sin(r) = 1.33 \cdot \sin(30^\circ) \]

Avec \(\sin(30^\circ)=0.5\), cela donne :

\[ \sin(r) = 1.33 \times 0.5 = 0.665 \]

Calcul :

\[ r = \arcsin(0.665) \approx 41.7^\circ \]

Conclusion sur la réfraction ou la réflexion totale interne :
  • Réfraction :

Ici, \(\sin(r) = 0.665\) est inférieur à 1, donc le rayon est réfracté dans l’air avec un angle d’environ \(41.7^\circ\).

  • Réflexion totale interne :

La réflexion totale interne se produit lorsque l’angle d’incidence dans le milieu à indice élevé dépasse l’angle critique.
L’angle critique \(\theta_c\) est donné par :

\[ \sin(\theta_c) = \frac{n_{\text{air}}}{n_{\text{eau}}} = \frac{1}{1.33} \approx 0.7519 \]

Donc :

\[ \theta_c \approx \arcsin(0.7519) \approx 48.75^\circ \]

Comme \(30^\circ < 48.75^\circ\), il n’y a pas de réflexion totale interne, et le rayon est bien réfracté.

Lois de la Réfraction

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