Réfraction

Définition

La réfraction est le changement de direction et de vitesse d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre avec un indice de réfraction différent. La réfraction provient de la modification de la vitesse de propagation de l'onde indiquée.

La réfraction dans l'eau d'un verre :

La réfraction de l'eau dans un verre rond offre une distorsion des couleurs par les différences d'indices de densité.

Explications

La réfraction est la transformation de la propagation d'une onde quand se modifie le milieu qu'elle traverse. Elle est le changement de direction et de vitesse d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre avec un indice de réfraction différent. Cela ne survient que si l'onde frappe obliquement la surface de séparation des deux milieux et s'ils ont des indices de réfraction différents. La réfraction a pour origine le changement de vitesse de propagation de l'onde indiquée.

🚩 Attention de ne pas confondre réfraction et diffraction, laquelle est la transmission des ondes autour d'un obstacle ! Voir aussi la dispersion réfractrice, la réflexion en physique, la propagation des ondes, les interférences, la réfringence, la parallaxe et la polarisation. Voir aussi une irisation et une iridescence.

Un exemple du phénomène de réfraction est observé lorsqu'un crayon est immergé dans un verre d'eau : le crayon semble cassé. La réfraction survient également lorsque la lumière traverse des couches d'air à différentes températures, dont dépend l'indice de réfraction. Les mirages sont produits par un cas extrême de réfraction, appelé réflexion totale. Bien que le phénomène de réfraction soit fréquemment observé dans les ondes électromagnétiques telles que la lumière, le concept s'applique à tout type d'onde.

Explication physique

La réfraction intervient lorsque la lumière passe d'un milieu de propagation à un autre avec une densité optique différente, subissant un changement de vitesse et un changement de direction si elle ne frappe pas perpendiculairement à la surface. Cette déviation dans la direction de propagation est expliquée par la loi de Snell.

⭐ Cependant, la découverte d'un manuscrit révèle que l'arabe Ibn Sahl (mathématicien) était parvenu aux mêmes conclusions que les Hollandais six siècles auparavant (entre les années 983 et 985). Cette loi, ainsi que la réfraction dans des milieux non homogènes, est une conséquence du principe de Fermat, qui indique que la lumière se propage entre deux points suivant le chemin optique du temps le plus court.

D'autre part, la vitesse de pénétration de la lumière dans un milieu autre que le vide est liée à la longueur d'onde et, lorsqu'un faisceau de lumière blanche passe d'un milieu à un autre, chaque couleur subit une légère déviation. Ce phénomène est connu sous le nom de diffusion de la lumière. Par exemple, lorsque vous atteignez un milieu plus dense, les ondes plus courtes perdent de la vitesse par rapport aux ondes longues (par exemple, lorsque la lumière blanche passe à travers un prisme). Les courtes longueurs d'onde sont jusqu'à quatre fois plus dispersées que les longues, ce qui explique pourquoi le ciel a l'air bleuâtre, car pour cette gamme de couleurs, l'indice de réfraction est plus grand et se disperse davantage.

Dans la réfraction, les lois déduites par Huygens qui régissent tout le mouvement des vagues sont remplies :

• Les rayons incidents, réfléchis et réfractés sont dans le même plan.
• Les angles d'incidence et de réflexion sont égaux, sachant qu'ils forment respectivement le rayon incident et le réfléchi avec la perpendiculaire (appelée normale) à la surface de séparation tracée au point d'incidence.

La vitesse de la lumière dépend du support dans lequel elle se déplace. Plus elle est dense, plus elle est dense et inversement. Par conséquent, lorsque la lumière passe d'un milieu moins dense (air) à un plus dense (verre), le rayon de lumière est réfracté à l'approche de la normale et l'angle de réfraction sera donc inférieur à l'angle d'incidence. De la même manière, si le rayon de lumière passe d'un milieu plus dense à un autre moins dense, il sera réfracté loin de la normale et l'angle d'incidence sera donc inférieur à celui de la réfraction.

On peut donc dire que la réfraction est le changement de direction de la propagation de la lumière lors du passage d'un milieu à un autre.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction est la relation entre la vitesse de propagation de l'onde dans un milieu de référence (par exemple le vide pour les ondes électromagnétiques) et sa vitesse dans le milieu en question.

Réfraction des ondes de houle

En milieu marin, la réfraction des houles est due à la diminution de la profondeur qui ralentit la progression de l'onde : la période est inchangée, mais la longueur d'onde diminue. Dans le cas de la lumière, l'onde subit une réfraction en passant du milieu aérien au milieu aqueux (changement de densité du milieu).

Réfraction des ondes radio

Le phénomène de réfraction est observé dans tous les types d'ondes. Dans le cas des ondes radio, la réfraction est particulièrement importante dans l'ionosphère, qui produit une série continue de réfractions permettant aux ondes radio de se déplacer d'un point de la planète à l'autre.

Réfraction des ondes sismiques

Un autre exemple de réfraction non liée aux ondes électromagnétiques est celui des ondes sismiques. La vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de la densité du milieu de propagation et donc de la profondeur et de la composition de la région traversée par les ondes. Les phénomènes de réfraction existent dans les cas suivants :

• Réfraction entre la transition entre deux couches géologiques, en particulier entre le manteau de la Terre et son noyau.
• Dans le manteau, par petites déviations de densité entre couches ascendantes moins denses et descendantes, plus denses.

Réfraction atmosphérique

La réfraction atmosphérique est le phénomène de réfraction de la lumière étudié dans un milieu atmosphérique. On l'appelle aussi réfraction astronomique. Le phénomène est plus prononcé (et peut être mieux observé) aux crépuscules mais est observable à la fois dans les couchers de soleil et dans les levers de soleil héliaques. Ce phénomène fait que le Soleil (et les étoiles) sont toujours vus au-dessus de sa position réelle. C'est pourquoi il est appelé en astronomie la position de la position apparente des étoiles (modifiée par la réfraction) ou la position réelle (considérant qu'il n'y a pas d'atmosphère).

Les mesures effectuées sur la réfraction atmosphérique ont clairement montré que celle-ci dépend de quatre facteurs :

• Hauteur de l'étoile;
• Longueur d'onde;
• température;
• pression atmosphérique.

La hauteur de l'étoile est le facteur le plus important. La réfraction est maximale à l'horizon et nulle au zénith, de même que la parallaxe. À une hauteur de 0º, cela vaut 33′48″. À 10º de hauteur, il est déjà réduit à 5′13″. Entre 40 ° et 50 ° c'est 1′, et à partir de 80 °, c'est moins de 10″.

En ce qui concerne les deux derniers facteurs correspondant aux caractéristiques de l'atmosphère lors de l'observation, on peut dire que : la valeur de la réfraction est directement proportionnelle à la pression atmosphérique et inversement proportionnelle à la température.

Loi de la réfraction (loi de Snell)

La relation entre le sinus de l'angle d'incidence et le sinus de l'angle de réfraction est égale au rapport entre la vitesse de l'onde dans le premier milieu et la vitesse de l'onde dans le deuxième milieu, ou peut être comprise comme le produit de l'indice de réfraction du premier milieu par le sinus de l'angle d'incidence est égal au produit de l'indice de réfraction du deuxième milieu par le sinus de l'angle de réfraction, c'est-à-dire :

n₁sin⁡(θ₁) = n₂sin(θ₂) où n₁ = indice de réfraction du premier milieu; θ₁ = angle d'incidence; n₂ = indice de réfraction du deuxième milieu; θ₂ = angle de réfraction.

En rapport avec "réfraction"

• réfringent

  

  Est réfringent ce qui produit la réfraction de la lumière, fait dévier des rayons lumineux. Un corps réfringent a la capacité de réfracter, comme la cornée...

• indice de réfraction

  

  L'indice de réfraction est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans un milieu.

• indice de réfraction de l'air

  

  L'indice de réfraction de l'air est défini comme le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans l'air.

• indice de réfraction de l'eau

  

  L'indice de réfraction d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu.