Notions de base d'optique géométrique/Observations expérimentales

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Pour justifier les résultats que l’on vient d'obtenir, il faut pouvoir les observer dans la nature. On donne d’abord quelques exemples d'observations des phénomènes de réflexion et de réfraction :

• 
  Réflexion d’un vase dans un miroir.
• 
  Réflexion dans un morceau de plastique.
• 
  Réfraction à l'interface air-eau.
• 
  Explication : la réfraction dévie les rayons lumineux comme s'ils venaient d’un crayon plus élevé que le vrai.

Ces exemples sont relativement simples à expliquer car les rayons s'y propagent dans des milieux homogènes. Mais que se passe-t-il lorsqu'on utilise un milieu non-homogène ? Tout d’abord, il faut fabriquer un tel milieu. Une façon simple de faire cela est de dissoudre une grande quantité de sucre dans une cuve d'eau et d'attendre que celui-ci, à cause de la gravité, s'accumule davantage au fond qu'au dessus. Ainsi la densité de sucre est d'autant plus importante que l’on va vers le fond de la cuve.

On observe (voir image ci-contre) que le rayon d’un laser est dévié vers le bas lorsqu’il traverse l'eau sucrée inhomogène. Pour cela, et comme l'indique l’image en la regardant précisément, il faut que le rayon soient légèrement incliné vers le bas.

On peut interpréter ce phénomène en imaginant que cette eau est composée d’une infinité de dioptres horizontaux infiniment proches les uns des autres et que le rayon est successivement réfracté vers le bas par tous ces dioptres. Or d’après la formule $\scriptstyle n_{1}\cdot \sin \theta _{1}=n_{2}\cdot \sin \theta _{2}$ valable pour le passage d’un de ces dioptres, la déviation sera vers le bas ($\scriptstyle \sin \theta _{1}>\sin \theta _{2}$) si $\scriptstyle n_{1}<n_{2}$. On peut en déduire une loi pratique à retenir :

La lumière est réfractée vers les zones de fort indice.

Le rayon i semble provenir d’une voiture qui serait sous la route.

Ce phénomène existe dans la nature par ce que l’on appelle les mirages. Ce sont par exemple les reflets que l’on voit parfois sur la route les jours de forte chaleur (voir image en bas). L'explication est identique à celle de l'eau sucrée : la route chauffe davantage l'air juste au-dessus d'elle que l'air plus éloigné. Ainsi la température de l'air, et donc son indice, varie en fonction de la distance à la route. On a donc encore une fois un milieu dont l'indice n’est pas homogène. Les rayons seront alors déviés vers le haut, et lorsqu’ils arrivent sur notre œil, ils semblent venir du bas (voir le schéma explicatif ci-contre).

Quelques exemples de mirages.