Comprendre la Lumière : Onde, Rayon, Réflexion
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La lumière : Nature ondulatoire
La lumière se propage comme une onde. Elle fait partie des ondes électromagnétiques auxquelles l'œil humain est sensible et dont la longueur d'onde est comprise entre 380 et 760 nanomètres (ou 3800 et 7600 Å, 1 Å = 10-10 m).
Il s'agit d'une onde transversale qui peut se propager dans le vide et dans certains milieux matériels, que nous appelons transparents.
Caractéristiques des ondes lumineuses
L'énergie lumineuse se propage en présentant toutes les caractéristiques des ondes. Ainsi :
- Dans un milieu uniforme (même composition et mêmes propriétés physiques dans toutes les directions), elle se propage en ligne droite.
- À la limite de séparation entre deux milieux différents, elle est réfléchie.
- Elle est réfractée lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre où elle se déplace avec des vitesses différentes.
Elle présente d'autres phénomènes caractéristiques des ondes (interférences, diffraction et polarisation), qui seront étudiés dans les prochains cours.
Rayons lumineux et indice de réfraction
Pour représenter les ondes lumineuses, on utilise par commodité les rayons de lumière. Le rayon est tracé dans la direction dans laquelle l'énergie lumineuse se propage.
Dans l'étude de l'optique géométrique, il suffit d'utiliser le rayon pour identifier la lumière et l'indice de réfraction, n, pour caractériser le milieu.
Définition de l'indice de réfraction
Il est défini comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, c₀, et sa vitesse dans le milieu considéré, c : n = c₀ / c.
La vitesse de la lumière prend sa valeur maximale (environ 300 000 km/s) lorsqu'elle se propage dans le vide.
En conséquence, l'indice de réfraction est de 1 dans le vide et est supérieur à 1 dans tout autre milieu.
La réflexion de la lumière
Le phénomène de réflexion se produit lorsque la lumière rencontre une surface qui la renvoie dans le milieu qu'elle traversait.
Ainsi, la lumière réfléchie est renvoyée dans le même milieu, généralement avec une direction différente de celle du rayon incident.
Quand nous regardons dans un miroir, l'image que nous voyons est très semblable à la nôtre. Si, sur notre corps, la droite est à droite, sur l'image elle est à gauche, et vice versa. C'est notre image spéculaire.
La normale, N, est la droite perpendiculaire au plan du miroir au point d'incidence, A.
L'angle d'incidence, i, est l'angle entre le rayon incident et la normale, et l'angle de réflexion, r, est l'angle entre le rayon réfléchi et la normale.
En mesurant les angles i et r, on constate qu'ils sont égaux.
On constate également que les rayons incident et réfléchi, ainsi que la normale, sont dans le même plan.
Lois de la réflexion
Cela nous permet d'énoncer les lois de la réflexion :
- L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion (i = r).
- Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale au point d'incidence sont dans le même plan.
Ces lois s'appliquent à la réflexion sur une surface polie, où l'on peut définir une normale et, par conséquent, un angle d'incidence précis.
Réflexion diffuse
Lorsque les surfaces sont rugueuses, il est impossible de tracer une normale unique pour toute la surface.
Par conséquent, lorsque la lumière tombe sur des surfaces non polies, elle est réfléchie dans toutes les directions, donnant naissance au phénomène de la diffusion.
C'est grâce à la réflexion diffuse que nous pouvons voir les objets qui n'émettent pas leur propre lumière, ainsi que leur couleur et leur texture.