La réfraction est la courbure des ondes lorsqu’elles passent d’un milieu à un autre, en raison d’un changement de leur vitesse. Le phénomène est le plus souvent associé à la lumière, mais peut également s’appliquer aux ondes sonores, voire aquatiques. Cela se produit lorsqu’une série d’ondes se déplace vers le nouveau milieu sous un angle, de sorte qu’un côté subit un changement de vitesse avant l’autre, le faisant tourner vers le côté le plus lent de la même manière qu’un véhicule en mouvement aura tendance à tourner si un côté est plus ralenti que l’autre. La réfraction peut donner l’impression que les objets sont déplacés et peut amplifier les sons distants. Il a de nombreuses utilisations dans le contexte de la lumière, telles que les lentilles et les prismes.
Indice de réfraction
Chaque milieu à travers lequel les ondes peuvent se déplacer a un indice de réfraction qui indique à quelle vitesse elles se déplaceront. Dans le cas de la lumière, cela se trouve en divisant sa vitesse dans le vide par sa vitesse dans ce milieu particulier. C’est un rapport entre les vitesses des médiums, il n’est donc mesuré dans aucune unité. L’indice de réfraction augmente généralement avec la densité du milieu : il est de un pour le vide et est supérieur à un pour tous les matériaux naturels connus.
L’air a généralement un indice de réfraction d’environ 1.00029 1.33, mais celui-ci varie en fonction de la température et de la pression. Pour l’eau, la valeur est d’environ 1.50 et pour le verre, d’environ 1.75 à 2.417, selon le type. Le diamant a un indice de réfraction très élevé de XNUMX, ce qui produit l’effet scintillant bien connu.
Exemples de tous les jours
L’exemple le plus couramment utilisé pour discuter de la réfraction est une paille dans l’eau. Lorsqu’une paille est placée dans un verre d’eau et vue de côté, elle semble cassée ou pliée. Cela est dû à la différence des indices de réfraction de l’air et de l’eau. L’eau étant plus dense que l’air, la paille semble se plier car la lumière qu’elle réfléchit est ralentie par la densité de l’eau. Ce phénomène fait également que les objets immergés, tels que les poissons, semblent plus près de la surface qu’ils ne le sont réellement.
Étant donné que l’indice de réfraction de l’air varie avec la température et la pression, les objets peuvent apparaître déplacés ou déformés dans certaines conditions. L’illusion familière de l’eau gisant sur une route par une journée chaude en est un exemple : il s’agit d’une image réfractée du ciel provoquée par le réchauffement de l’air près de la surface de la route. Parfois, des couches d’air à différentes températures et pressions peuvent rendre visibles les objets qui se trouvent au-dessus de l’horizon – c’est ce qu’on appelle un mirage. Différentes couches d’air peuvent produire des phénomènes similaires avec le son. Dans les bonnes conditions, les sons distants peuvent sembler proches car certaines des ondes sonores, se dirigeant initialement au-dessus de l’auditeur, peuvent être courbées vers le bas, augmentant le volume.
Un exemple plus courant est un arc-en-ciel, où la lumière du soleil est réfractée par les gouttes de pluie. La lumière du soleil consiste en un mélange de différentes longueurs d’onde ou couleurs de lumière, le bleu, par exemple, ayant une longueur d’onde plus courte que le rouge. Lorsque cette lumière traverse les gouttes de pluie, les longueurs d’onde les plus courtes sont plus courbées que les plus longues, divisant la lumière en ses différentes couleurs.
Les usages
Les utilisations les plus courantes de la réfraction sont dans les lentilles et les prismes. Une lentille est conçue pour que la lumière qui y pénètre soit focalisée par réfraction vers un point, produisant une image agrandie d’un objet. Les lentilles peuvent être utilisées dans des jumelles et des télescopes pour obtenir des images détaillées d’objets distants, ou dans des loupes et des microscopes pour visualiser de très petits objets, tels que des micro-organismes non visibles à l’œil nu. Un prisme peut être utilisé pour diviser la lumière en différentes couleurs de la même manière que les gouttelettes d’eau créent un arc-en-ciel, mais en donnant une image plus précise qui peut être utilisée pour analyser la source de lumière en détail.
Loi de Snell
Le phénomène de réfraction était connu au moins depuis l’époque des Grecs anciens, et un certain nombre de personnes à travers l’histoire ont formulé des lois pour le décrire, y compris Ibn Sahl de Bagdad, qui en 984 a proposé une description très précise, qu’il utilisé pour créer des lentilles. L’astronome néerlandais Willebrord van Roijen Snell a produit une loi mathématique en 1621, qui a ensuite été modifiée en la formule appelée « Loi de Snell » par René Descartes en 1637. Elle peut être utilisée pour calculer l’angle de réfraction de la lumière traversant deux milieux différents.