Les effets d'éclairage typiques que chaque personne rencontre souvent dans la vie de tous les jours sont la réflexion et la réfraction. Dans cet article, nous considérerons le cas où les deux effets se manifestent au sein d'un même processus, nous parlerons du phénomène de réflexion interne totale.
Réflexion lumineuse
Avant de considérer le phénomène de réflexion interne totale de la lumière, vous devez vous familiariser avec les effets de la réflexion et de la réfraction ordinaires. Commençons par le premier. Pour simplifier, nous ne considérerons que la lumière, bien que ces phénomènes soient caractéristiques d'une onde de toute nature.
La réflexion est comprise comme un changement d'une trajectoire rectiligne, le long de laquelle un rayon lumineux se déplace, vers une autre trajectoire rectiligne, lorsqu'il rencontre un obstacle sur son chemin. Cet effet peut être observé en pointant un pointeur laser vers un miroir. L'apparition d'images du ciel et d'arbres lorsque l'on regarde la surface de l'eau est également le résultat de la réflexion de la lumière du soleil.
La loi suivante est valable pour la réflexion: les anglesl'incidence et la réflexion se trouvent dans le même plan avec la perpendiculaire à la surface réfléchissante et sont égales l'une à l'autre.
Réfraction de la lumière
L'effet de la réfraction est similaire à la réflexion, sauf qu'il se produit si l'obstacle sur le trajet du faisceau lumineux est un autre milieu transparent. Dans ce cas, une partie du faisceau initial est réfléchie par la surface et une partie passe dans le second milieu. Cette dernière partie s'appelle le faisceau réfracté, et l'angle qu'il fait avec la perpendiculaire à l'interface s'appelle l'angle de réfraction. Le faisceau réfracté se trouve dans le même plan que le faisceau réfléchi et incident.
De bons exemples de réfraction sont la cassure d'un crayon dans un verre d'eau ou la profondeur trompeuse d'un lac lorsqu'une personne regarde son fond.
Mathématiquement, ce phénomène est décrit à l'aide de la loi de Snell. La formule correspondante ressemble à ceci:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Ici, les angles d'incidence et de réfraction sont notés θ1 et θ2 respectivement. Les quantités n1, n2 reflètent la vitesse de la lumière dans chaque milieu. Ils sont appelés les indices de réfraction des médias. Plus n est grand, plus la lumière se propage lentement dans un matériau donné. Par exemple, dans l'eau, la vitesse de la lumière est inférieure de 25 % à celle de l'air, donc son indice de réfraction est de 1,33 (pour l'air, il est de 1).
Le phénomène de réflexion interne totale
La loi de la réfraction de la lumière conduit à unun résultat intéressant lorsque le rayon se propage à partir d'un milieu avec un grand n. Examinons plus en détail ce qui arrivera au faisceau dans ce cas. Écrivons la formule de Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Nous supposerons que n1>n2. Dans ce cas, pour que l'égalité reste vraie, θ1 doit être inférieur à θ2. Cette conclusion est toujours valable, puisque seuls les angles de 0o à 90o sont considérés, dans lesquels la fonction sinus est constamment croissante. Ainsi, lorsqu'on quitte un milieu optique plus dense pour un milieu moins dense (n1>n2), le faisceau s'écarte davantage de la normale.
Augmentons maintenant l'angle θ1. En conséquence, le moment viendra où θ2 sera égal à 90o. Un phénomène étonnant se produit: un faisceau émis depuis un milieu plus dense y restera, c'est-à-dire que pour lui l'interface entre deux matériaux transparents deviendra opaque.
Angle critique
L'angle θ1, pour lequel θ2=90o, est appelé critique pour la paire de médias considérée. Tout rayon qui frappe l'interface à un angle supérieur à l'angle critique est complètement réfléchi dans le premier milieu. Pour l'angle critique θc on peut écrire une expression qui découle directement de la formule de Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Sile second milieu est l'air, alors cette égalité est simplifiée à la forme:
sin (θc)=1 / n1.
Par exemple, l'angle critique pour l'eau est:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Si vous plongez au fond de la piscine et que vous levez les yeux, vous ne pouvez voir le ciel et les nuages qui la traversent qu'au-dessus de votre propre tête, sur le reste de la surface de l'eau, seuls les murs de la piscine seront visibles.
D'après le raisonnement ci-dessus, il est clair que, contrairement à la réfraction, la réflexion totale n'est pas un phénomène réversible, elle ne se produit que lors du passage d'un milieu plus dense à un milieu moins dense, mais pas l'inverse.
Réflexion totale sur la nature et la technologie
Peut-être que l'effet le plus courant dans la nature, qui est impossible sans réflexion totale, est l'arc-en-ciel. Les couleurs de l'arc-en-ciel sont le résultat de la dispersion de la lumière blanche dans les gouttes de pluie. Cependant, lorsque les rayons passent à l'intérieur de ces gouttelettes, elles subissent une réflexion interne simple ou double. C'est pourquoi l'arc-en-ciel apparaît toujours en double.
Le phénomène de réflexion totale interne est utilisé dans la technologie de la fibre optique. Grâce aux fibres optiques, il est possible de transmettre sans perte des ondes électromagnétiques sur de longues distances.
