Se regarder dans le miroir, être capable de voir les choses en général et entendre les échos dans les tunnels sont des phénomènes rendus possibles grâce aux réflexions d'onde. Ce résumé de cours traite spécifiquement de la réflexion de la lumière. Nous définirons la réflexion, présenterons les types et les causes de la réflexion de la lumière, examinerons les lois qui s'appliquent à la réflexion, et vers la fin, nous passerons en revue quelques exemples et aspects pratiques.
Réflexion totale définition
En principe, la lumière se déplace en ligne droite tant qu'aucun événement ne l'en empêche. Un changement des matériaux à travers lesquels la lumière se déplace est un tel événement. Comme la lumière est une onde, elle peut être absorbée, transmise, réfléchie ou une combinaison de ces phénomènes. Une réflexion peut avoir lieu à la frontière entre deux matériaux, également appelée dioptre. Sa définition peut être énoncée comme suit :
La réflexion de la lumière est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle atteint la limite entre deux milieux et retourne dans le milieu d'origine. Cette frontière est appelée surface de réflexion.
Les lois de la réflexion
Pour discuter des lois de la réflexion, nous avons besoin d'un montage (voir la figure ci-dessous). Pour une réflexion, nous avons besoin d'une surface de réflexion et d'un rayon lumineux incident. Nous aurons aussi automatiquement un rayon lumineux réfléchi qui a une direction différente de celle du rayon entrant. La surface de réflexion est traversée par une ligne perpendiculaire appelée la normale, le rayon entrant (ou incident) fait un angle d'incidence \(\theta_i\) avec la normale et le rayon réfléchi fait un angle de réflexion \(\theta_r\) avec la normale. Les lois de la réflexion sont les suivantes :
- Le rayon entrant, le rayon réfléchi et la normale à la surface de réflexion sont tous dans le même plan ;
- L'angle d'incidence est le même que l'angle de réflexion : \(\theta_i=\theta_r\)
- Le rayon réfléchi est de l'autre côté de la normale que le rayon entrant.
Les lois 1 et 3 sont assez intuitives et vous n'aurez peut-être pas besoin de vous en souvenir explicitement, mais la loi 2 est importante à retenir. Les lois sont joliment illustrées dans la figure ci-dessous.
Cette figure bidimensionnel (en raison de la première loi) de la réflexion illustre les deuxième et troisième lois de la réflexion. Un rayon de lumière part de P, est réfléchi en O et se dirige vers Q, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.
Supposons qu'un rayon de lumière se réfléchisse sur une surface de réflexion pour produire un rayon de lumière réfléchi. Le rayon incident fait un angle de \(20^{\circ}\) avec la surface de réflexion. Quel est l'angle de réflexion ?
Réponse : Il faut attentivement lire ici : l'angle d'incidence est l'angle avec la normale à la surface de réflexion, donc l'angle d'incidence est \(90^{\circ} - 20^{\circ} = 70^{\circ}\). Les lois de la réflexion stipulent maintenant que l'angle de réflexion est également de \(70^{\circ}\) par rapport à la normale.
Il est important de pouvoir dessiner les rayons de lumière qui se reflètent sur des surfaces. Ces dessins sont appelés diagrammes de rayonnement. La figure ci-dessus est un exemple de diagramme de rayonnement.
Types et causes de la réflexion de la lumière
Il existe deux principaux types de réflexion de la lumière, dont les causes sont liées au fait que la surface de réflexion est lisse ou rugueuse.
Réflexion spéculaire
La réflexion spéculaire est la réflexion qui résulte du fait que la surface de réflexion est lisse.
Un miroir et de l'eau plate sont de bons exemples de surfaces de réflexion lisses. Le caractère lisse de la surface de réflexion signifie que la normale à la surface de réflexion reste la même (dans le cas de surfaces de réflexion plates, ou de miroirs plans) ou change lentement et progressivement d'un endroit à l'autre de la surface de réflexion. Les lois de la réflexion disent maintenant que, puisque la normale est la même partout sur la surface de réflexion, la lumière réfléchie par un rayon de lumière entrant aura la même direction où qu'il soit réfléchi.
Cela permet d'obtenir des images virtuelles, qui sont des images d'objets (réels) qui semblent être quelque part où ils ne sont pas. La raison de cette fausse perception est que la lumière qui atteint nos yeux vient d'une direction qui n'est pas celle de l'objet. Voir la figure pour une illustration. Les informations que l'œil reçoit lui indiquent que l'objet au point A, disons une pomme, se trouve quelque part derrière le miroir (car notre cerveau suppose que la lumière a toujours voyagé en ligne droite). Mais, en réalité, la pomme se trouve devant le miroir, à côté de l'œil.
L'œil voit la pomme qui se trouve à l'endroit A à travers un miroir plan. La direction de la lumière réfléchie fait croire à l'œil que la pomme est à l'endroit A', il voit donc une image virtuelle, Wikimedia Commons.
Réflexion diffuse
La réflexion diffuse est la réflexion qui résulte de la rugosité de la surface de réflexion.
La plupart des objets ordinaires ont une surface rugueuse : pain, murs, arbres, etc. La surface rugueuse signifie que la normale à la surface de réflexion change radicalement entre les différents endroits de la surface. Les lois de la réflexion disent maintenant que, puisque la normale est si différente, la direction du rayon lumineux réfléchi est également différente d'un endroit à l'autre : la lumière réfléchie est diffusée dans différentes directions. Voir la figure ci-dessous pour une illustration de cet effet. Cela signifie également que l'image miroir n'existe pas dans le cas de surfaces de réflexion rugueuses.
En (a), nous voyons une réflexion diffuse : la lumière réfléchie a différentes directions. Dans (b), nous voyons une réflexion spéculaire : la lumière réfléchie a une seule direction et se déplace comme un seul rayon, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.
Exemples de réflexions
Se voir dans le miroir de ta salle de bain (qui est un miroir plan qui provoque une réflexion spéculaire) est un exemple quotidien de réflexion de la lumière. Un autre exemple de réflexion est la réflexion diffuse que la plupart des objets produisent, et la façon dont ils déterminent la couleur que nous percevons d'un objet.
Une plante verte a une surface rugueuse, elle reflète donc la lumière du soleil de façon diffuse. Cependant, certaines fréquences de la lumière solaire sont absorbées plus que d'autres, par conséquent, les ondes lumineuses réfléchies ont un spectre de fréquences différent de celui de la lumière solaire entrante. Ce sont les ondes lumineuses réfléchies qui frappent nos yeux, leur spectre détermine donc la couleur que nous percevons de la plante, c'est-à-dire le vert. Apparemment, les fréquences de lumière non vertes sont plus absorbées par la plante que les fréquences vertes.
Les feuilles vertes d'un arbre reflètent principalement les fréquences vertes de la lumière entrante.
Ainsi, la réflexion de la lumière détermine en grande partie la couleur des objets : les objets rouges absorbent moins les fréquences rouges que les autres fréquences, etc. Cependant, non seulement la lumière, mais également toutes les ondes peuvent être réfléchies.
Les ondes sonores en sont un exemple : elles peuvent se réfléchir sur les parois d'un tunnel ou d'une grotte et revenir te trouver, te faisant entendre une réverbération ou un écho. Un autre effet de réflexion du son que la plupart d'entre nous ont expérimenté est que le son semble parfois venir du côté de toi où il y a un mur, alors que le producteur du son est clairement du côté opposé. Le dernier exemple de réflexion du son est celui des chauves-souris qui utilisent l'écholocation : elles produisent elles-mêmes un son et écoutent ensuite les échos produits par la réflexion sur les murs pour déterminer où se trouvent ces murs.
Les vagues d'eau peuvent aussi être réfléchies. Lorsque les vagues d'eau frappent un mur, une partie d'entre elles est absorbée et l'autre partie est réfléchie. Les réflexions des ondes autres que la lumière sont déterminées par les mêmes lois de la réflexion dont nous avons parlé plus tôt !
Importance de la réflexion de la lumière
La réflexion de la lumière a été vitale pour une grande partie de la vie sur Terre. La plupart des choses n'émettent pas naturellement de lumière visible, nous ne pouvons donc les voir que parce qu'elles réfléchissent la lumière du Soleil vers nos yeux (rappelle-toi que la plupart des choses sont rugueuses, il y aura donc toujours une partie des rayons réfléchis qui atteindra nos yeux). Ainsi, sans la réflexion de la lumière, les animaux seraient aveugles à tout sauf au Soleil et aux autres choses qui produisent elles-mêmes de la lumière visible.
De plus, différents matériaux reflètent, transmettent et absorbent différentes couleurs de lumière en différentes quantités. La lumière solaire réfléchie est donc colorée. Cette couleur donne aux animaux des informations sur les matériaux possibles dont est fait un objet.
La Réflexion de la Lumière – Points clés
- La réflexion de la lumière est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle atteint une surface de réflexion.
- Il existe 3 lois de réflexion.
- La réflexion spéculaire est la réflexion sur une surface lisse. Cela permet de créer des images virtuelles : des images d'objets qui semblent être quelque part alors qu'ils ne le sont pas.
- La réflexion diffuse est la réflexion sur une surface rugueuse. La plupart des objets ont des surfaces rugueuses.
- Non seulement la lumière peut être réfléchie, mais également d'autres types d'ondes. La réflexion des ondes sonores peut produire des échos et des réverbérations, et les vagues d'eau peuvent être réfléchies sur les murs. Les 3 lois de la réflexion s'appliquent toujours à ces autres types d'ondes.
- La réflexion de la lumière est essentielle pour que les animaux puissent voir le monde qui les entoure : la lumière du Soleil se reflète sur les objets et une partie de la lumière réfléchie atteint l'œil de l'animal. Sans réflexion, seule la lumière provenant d'objets produisant de la lumière atteindrait nos yeux.
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Questions fréquemment posées en Réflexion de la lumière
Quand y a-t-il réflexion totale ?
Il y a réflexion totale quand le rayon incident frappe l'interface séparant deux milieux avec un angle supérieur à l'angle critique.
Quelles sont les conditions pour avoir une réflexion totale ?
Le rayon incident doit arriver à l'interface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents avec un angle supérieur a l'angle critique.
Quelles sont les applications de la réflexion totale ?
Les fibres optiques sont l'une des plus importantes applications de la réflexion de la lumière.
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