Exploration de la Lumière : Réflexion, Réfraction et Perception

Réflexion de la Lumière

Lorsque la lumière traverse un milieu et rencontre une surface qui le sépare d'un autre milieu, une partie est réfléchie et continue de se propager dans le même milieu en changeant de direction. Ce phénomène respecte les lois de la réflexion :

• Le faisceau incident, la normale et le rayon réfléchi sont dans le même plan.
• L'angle d'incidence et l'angle de réflexion sont égaux.

Le Kaléidoscope

Un kaléidoscope (du grec eidos kalós scopeo, signifiant « observer une belle image ») est un tube qui contient trois miroirs formant un prisme triangulaire à l'intérieur. À l'extrémité, deux feuilles translucides retiennent plusieurs objets de formes et de couleurs différentes.

Notre Image dans les Miroirs

Nous nous sommes tous regardés dans un miroir, mais... Que se passe-t-il lorsque nous faisons face à deux miroirs qui sont à 90 degrés ? Avec deux miroirs, cela produit une double réflexion de l'image et évite l'inversion latérale de l'image.

Images Infinies

Que se passe-t-il lorsque deux miroirs parallèles se font face ? Dans un miroir, nous voyons notre image de face. Avec deux miroirs parallèles, l'image de l'un se reflète dans l'autre, créant une succession infinie d'images alternées (face, dos, etc.).

Combien de Réflexions ?

Avec deux miroirs en éventail, réunis par une charnière, nous pouvons observer, en fonction de l'angle formé, différentes images. Placez les miroirs sur un document traçant une ligne et demandez-vous quel polygone sera formé pour chaque angle :

• Angle de 120° : Triangle
• Angle de 90° : Carré
• Angle de 72° : Pentagone
• Angle de 60° : Hexagone

Le Corps Noir

L'extérieur est noir, mais qu'en est-il de l'intérieur ? Regardez à l'intérieur par le trou, puis ouvrez la boîte. Pouvez-vous expliquer ce qui se passe ? Aucune lumière n'est émise de l'intérieur. Les réflexions multiples font que la lumière renvoyée vers l'extérieur est très faible. Par conséquent, nous sommes incapables de voir le blanc.

Réfraction de la Lumière

Lorsque la lumière traverse un milieu et rencontre une surface qui la sépare d'un autre milieu, une partie de celle-ci se propage dans le second milieu en changeant de direction, car la lumière se propage à des vitesses différentes dans chaque environnement. Lorsqu'elle entre dans un milieu plus dense, la lumière ralentit et se rapproche de la normale. Inversement, lorsqu'elle passe dans un milieu moins dense, sa vitesse augmente et elle s'éloigne de la normale. C'est seulement dans ce dernier cas que peut se produire la réflexion totale, lorsque l'angle de réfraction atteint 90°.

L'indice de réfraction d'un milieu lui est propre et est directement lié à la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu : plus la vitesse de propagation est élevée, plus l'indice de réfraction est faible. La réfraction vérifie la loi de Snell, qui stipule que si l'indice du milieu traversé diminue, le faisceau s'éloigne de la normale ; sinon, il s'en rapproche.

Voir ou ne pas voir

Placez une pièce au centre d'une tasse et reculez, loin de la tasse, jusqu'à ce que vous ne puissiez plus voir la pièce. Ensuite, demandez à un ami de verser très lentement un peu d'eau dans le récipient. Que s'est-il passé ?

(L'opération peut être répétée dans une autre tasse avec une autre pièce, mais en ajoutant une solution de CaCl2 au lieu d'eau. La solution de CaCl2 ayant un indice de réfraction plus élevé, la pièce sera visible en ajoutant moins de liquide.)

Lorsque la lumière provenant de la pièce sort de l'eau, il y a un changement dans la direction de la lumière (un phénomène appelé réfraction de la lumière) qui nous permet de voir l'objet à une position différente de sa position réelle.

À la recherche de l'invisibilité

Lorsque deux milieux transparents ont le même indice de réfraction, la lumière ne semble pas subir de déviation, rendant l'interface invisible.

Sable sec, sable humide

Il est démontré que le sable humidifié avec différentes substances apparaît plus ou moins foncé. Les substances utilisées sont : l'eau distillée, une solution de dichlorure de calcium, le disulfure de carbone et le toluène.

Le sable fin est plus lumineux et plus clair que le sable grossier, et c'est parce que, dans l'épaisseur du matériau, les photons (qui composent la lumière) sont plus susceptibles d'être absorbés. La dispersion du photon ne dépend pas seulement de la taille du grain, mais aussi de la substance qui l'entoure et de son indice de réfraction. Plus l'indice de réfraction est élevé, plus l'angle de diffusion est faible, et donc la lumière reste plus longtemps au sein de la substance. Cette explication peut également être faite en considérant la lumière comme une onde.

La Camera Obscura et les Lentilles

La Camera Obscura

La camera obscura, ancêtre de la caméra, d'origine arabe et redécouverte par Léonard de Vinci, possède un trou qui agit comme une lentille convergente et projette sur la paroi opposée une image inversée de l'extérieur, à la fois verticalement et horizontalement.

Le Pot de Verre comme Lentille

Un pot de verre, ou tout récipient de forme cylindrique rempli d'eau, peut être utilisé comme lentille convergente. L'indice de réfraction du liquide contenu dans chaque récipient confère à la lentille des propriétés différentes. Lorsque vous placez un objet devant une lentille, les caractéristiques des images formées dépendent de la distance à laquelle vous placez l'objet.

Couleurs et Inversion

Pourquoi les mots en bleu sont-ils inversés et pas ceux en rouge ? En vous basant sur l'expérience, vous pouvez répondre à la question ci-dessus. En effet, tous les mots sont inversés, mais ceux écrits en rouge possèdent une symétrie horizontale (comme les lettres C, H et I).

Phénomènes Lumineux et Visuels

La Tache d'Huile

Quelle est la couleur de la tache d'huile ? Nous avons placé une feuille de papier sur une table et y avons fait tomber quelques gouttes d'huile au centre pour former une petite tache. Lorsqu'elle est exposée à la lumière, la tache apparaît sombre sur un fond blanc. Mais si vous placez la feuille devant une source de lumière, vous verrez une tache blanche sur un fond sombre.

Le papier imprégné d'huile devient plus transparent. Si le papier est exposé à la lumière, la tache apparaît sombre : étant transparente, elle laisse passer la lumière et ne la réfléchit pas. En revanche, si la lumière est projetée sur la tache par l'arrière, le spot est blanc et lumineux, car la lumière traverse la tache d'huile mais pas le papier non imprégné. Qu'advient-il si les projecteurs sont placés sur les côtés ?

Le Cellophane Magique

Il suffit de placer un morceau de cellophane sur du verre dépoli pour que la lumière le traverse plus clairement. Ces verres ont une surface rugueuse, ce qui disperse la lumière dans toutes les directions et empêche la formation d'une image claire de l'autre côté. En plaçant la bande adhésive, elle « polit » la surface rugueuse en remplissant les aspérités.

Lumière, Couleur et Perception

Le Spectroscope

Un spectroscope est un dispositif destiné à séparer les différentes composantes d'un spectre optique. Pour décomposer la lumière en ses différentes couleurs (fréquences), Newton a utilisé un prisme. Dans notre cas, nous utilisons un réseau de diffraction, comme un CD, sur lequel il y a plus de 500 lignes par pouce qui provoquent la diffusion de toutes les couleurs du faisceau lumineux incident dans toutes les directions.

Le Test de Daltonisme

Si vous n'avez pas encore passé le test... c'est le moment ! Il s'agit d'une anomalie génétique qui se manifeste par l'incapacité de certaines cellules photoréceptrices de la rétine à distinguer certaines couleurs. Nommé d'après le chimiste britannique John Dalton (1766-1844), qui en souffrait, il rend impossible la distinction de certaines couleurs. Comme l'hémophilie, le daltonisme est une maladie liée au sexe (chromosome X).

La rétine est responsable de la transmission de toute information lumineuse qu'elle reçoit, via le nerf optique, jusqu'au cerveau. Elle contient des cellules appelées cônes, dont il existe 3 types, qui permettent de distinguer les différentes longueurs d'onde associées aux couleurs. Une anomalie dans ces cônes est la cause du daltonisme. Le daltonisme le plus fréquent concerne le rouge et le vert.

Fluorescence et Phosphorescence

Lorsque les électrons de certains atomes sont excités à des niveaux d'énergie élevés, ils ne retournent pas toujours directement à leur état fondamental. Si le processus de désexcitation est presque instantané (moins de 10^-7 secondes), on parle de fluorescence. La phosphorescence, elle, dure plus longtemps. Ces processus sont mieux perçus en éclairant les atomes avec une lumière ultraviolette (dans ce cas, violette), qui est plus énergétique. Les atomes, lors de leur désexcitation, émettent alors une lumière de fréquence inférieure, donc visible.

La Couleur n'est pas toujours ce qu'il semble

Les couleurs que nous connaissons sont identifiées sous une lumière blanche. Lorsque la lumière change, la couleur d'un objet éclairé par cette lumière change également. Un objet a une certaine couleur parce qu'il absorbe toutes les couleurs sauf celle qu'il réfléchit (si le matériau est opaque) ou qu'il transmet (s'il est transparent, comme la cellophane que nous utilisons). Ce processus est appelé absorption sélective. Mais les nuances sont produites par le mélange de couleurs additives, pour lesquelles nous devons garder à l'esprit que le blanc = rouge + vert + bleu. La cellophane jaune absorbe le bleu et laisse passer le rouge et le vert, ce qui modifie la couleur des objets vus à travers elle.

L'Œil Dominant

Nous avons tous un œil dominant, ou directeur, avec une acuité visuelle supérieure, qui est responsable de la perception de la profondeur. L'autre œil est principalement responsable de la vision périphérique et spatiale, en complétant l'image bidimensionnelle transmise à notre cerveau.

Le Stéréogramme

Le stéréogramme est une illusion d'optique basée sur la capacité de l'œil à capturer des images à partir de différents points de vue. Ces différentes perspectives sont interprétées par le cerveau de manière à faire apparaître une image en trois dimensions.

L'Effet de Moiré

L'effet de moiré est un effet d'optique produit par la superposition de deux réseaux de lignes avec un certain angle, ou lorsqu'ils sont de tailles différentes. L'origine du mot provient d'un type de tissage de soie bien connu.

La Polarisation de la Lumière

La polarisation est un phénomène propre à la lumière et aux ondes transversales. La lumière est une onde électromagnétique dans laquelle les champs magnétiques et électriques sont perpendiculaires à la direction de propagation. Grâce à des filtres appropriés, il est possible de ne laisser passer la lumière que dans un plan particulier (plan de polarisation). Si la transmission dans ce plan est bloquée, l'image apparaît sombre.