La déviation des ondes lumineuses
Secondaire 3
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Une onde est une perturbation qui se propage dans la matière ou dans le vide.
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Une onde lumineuse, appelée aussi lumière, est une onde électromagnétique dont la longueur d’onde se situe dans le spectre de la lumière visible.
Pour visualiser la propagation de la lumière, on représente les rayons lumineux par des flèches droites et minces. On oriente les flèches de manière à ce que leur point de départ soit la source lumineuse et que la flèche indique le sens vers lequel la lumière se propage.
Les flèches indiquent le sens des rayons lumineux émis par l’ampoule du projecteur (source lumineuse).
Représentation des rayons lumineux par des flèches
La réflexion de la lumière
La réflexion de la lumière est le phénomène où les rayons lumineux rebondissent sur une surface.
On distingue deux types de réflexion de la lumière en fonction de la direction des rayons réfléchis : la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse.
Lorsque les rayons lumineux rencontrent une surface parfaitement plane ou polie, ils sont réfléchis de façon parallèle. Il s’agit d’une réflexion spéculaire.
Schéma d’une réflexion spéculaire
Lorsque les rayons lumineux rencontrent une surface irrégulière, ils sont réfléchis dans toutes les directions. Il s’agit d’une réflexion diffuse.
Schéma d’une réflexion diffuse
La réflexion speculaire
Lorsque la lumière frappe une surface parfaitement lisse, tous les rayons lumineux sont réfléchis de manière symétrique. Ainsi, les rayons réfléchis sont tous parallèles entre eux et l’image formée est fidèle à l’objet.
Ces deux situations sont des cas de réflexion spéculaire. On observe la formation d’images fidèles aux deux chiens. L’une des images se forme sur une flaque d’eau et l’autre, sur le rétroviseur d’une voiture.
Réflexion spéculaire d’un chien et du ciel sur une flaque d’eau
Bachkova Natalia, Shutterstock.com
Réflexion spéculaire d’un chien et du paysage sur un rétroviseur de voiture
Photo TrippingAmerica, Shutterstock.com
Un observateur peut voir le reflet du chat sur la surface du miroir, car les rayons lumineux sont réfléchis parallèlement et vers son œil.
Observation de l’image d’un chat
Adapté de anmbph, Shutterstock.com
Déterminer l’angle de réflexion sur un miroir plan
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Le rayon incident est celui qui se dirige vers la surface réfléchissante (miroir).
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Le point d’incidence est l’endroit où le rayon incident atteint le miroir.
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La normale est une droite perpendiculaire au miroir que l’on trace au point d’incidence du rayon lumineux.
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Le rayon réfléchi est celui qui quitte la surface réfléchissante.
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L’angle d’incidence |(\theta_\text{i})| est la mesure de l’angle compris entre le rayon incident et la normale.
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L’angle de réflexion |(\theta_\text{r})| est la mesure de l’angle compris entre le rayon réfléchi et la normale.
La réflexion de la lumière sur un miroir plan
Lors d’une réflexion, le rayon lumineux est réfléchi selon le même angle que le rayon incident par rapport à la normale.
L’angle d’incidence et l’angle de réflexion
|\theta_\text{i}=\theta_\text{r}|
où
|\theta_\text{i}| représente la mesure de l’angle d’incidence en degrés |(^{\circ})|
|\theta_\text{r}| représente la mesure de l’angle de réflexion en degrés |(^{\circ})|
Détermine l’angle de réflexion lorsqu’un rayon incident atteint un miroir avec un angle de |67^{\circ}| par rapport à ce miroir.
Le rayon incident
Voir la solution
Détermine l’angle de réflexion dans la situation graphique ci-contre.
Le rayon incident
Voir la solution
Pourquoi écrit-on ambulance à l'envers?
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Les notions qui suivent sont abordées en physique de 5e secondaire.
La réflexion diffuse
La réflexion diffuse intervient sur les surfaces irrégulières.
Les tissus, l’herbe et la pelure d’orange sont des exemples de surfaces sur lesquelles la lumière est réfléchie de façon diffuse.
Une pile de tissus
Riderfoot, Shutterstock.com
De l’herbe
Jon Rehg, Shutterstock.com
Une pelure d’orange
domnitsky, Shutterstock.com
Le pelage du chat est une surface irrégulière. La lumière qui atteint le pelage de façon parallèle est réfléchie dans toutes les directions. Ce phénomène est représenté par les flèches blanches puis orange.
Représentation de la réflexion diffuse de la lumière sur le pelage d’un chat
Adapté de andia, Shutterstock.com
La réflexion diffuse ne produit pas de reflet comme c’est le cas sur un miroir, mais elle nous permet d’observer le monde qui nous entoure. En effet, la lumière visible est reflétée sur les objets, puis dans toutes les directions incluant nos yeux, organes de la vue.
La façon dont la lumière est réfléchie par les objets nous renseigne sur leur couleur, leur forme, etc. Sans la réflexion de la lumière, les humains vivraient dans le noir complet.
Lorsque la lumière orange est réfléchie et que les autres couleurs sont absorbées, l’œil ne perçoit que la couleur orange.
La réflexion diffuse de la lumière orange
L’observation d’un chien par un chat
Adapté de Chendongshan, Shutterstock.com
La réfraction de la lumière
La réfraction est la déviation d'un rayon lumineux lorsqu'il passe d'un milieu transparent à un autre.
Les milieux qui possèdent la capacité de faire dévier les rayons lumineux sont qualifiés de réfringents.
Lorsque la lumière voyage dans un milieu transparent (par exemple, l’air), sa vitesse est constante. Toutefois, si elle passe dans un autre milieu (par exemple, l’eau), sa vitesse de propagation change. Ce changement de vitesse fait en sorte que le rayon dévie de sa trajectoire initiale.
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Un rayon lumineux se propage dans l’air à vitesse constante. Le rayon lumineux n’est pas dévié.
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Un rayon lumineux se propage dans l’air, puis dans l’eau. À son entrée dans l’eau, la vitesse de la lumière est modifiée. Le rayon lumineux est dévié, puis continue de se propager.
La propagation de la lumière dans l’air puis dans l’eau
La réfraction modifie notre perception des objets lorsqu’on les observe à travers un milieu transparent.
Lorsqu’on plonge un crayon dans un verre d’eau, on observe une image déformée et décalée du crayon.
Perception d’un crayon déformé dans l’eau
Kuki Ladron Guevara, Shutterstock.com
En utilisant un milieu transparent courbé telle une lentille, on peut faire dévier la lumière.
En laboratoire, une source lumineuse émet trois rayons lumineux parallèles vers une lentille convergente. On observe les faits suivants :
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Les rayons lumineux traversent la lentille convergente.
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À leur sortie de la lentille, les rayons lumineux sont déviés et s’approchent les uns des autres.
La déviation de la lumière par une lentille convergente
En laboratoire, une source lumineuse émet trois rayons lumineux parallèles vers une lentille divergente. On observe les faits suivants :
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Les rayons lumineux traversent la lentille divergente.
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À leur sortie de la lentille, les rayons lumineux sont déviés et s’éloignent les uns des autres.
La déviation de la lumière par une lentille divergente
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La dispersion de la lumière est le phénomène optique qui explique pourquoi la lumière blanche est séparée en ses couleurs constituantes lorsqu’elle traverse un milieu transparent.
La dispersion de la lumière
Dans un arc-en-ciel, ce sont les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air qui agissent comme des prismes en séparant les couleurs.
Lors de la dispersion, la lumière est séparée en sept rayons monochromatiques (formés par un seul rayon), soit le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet.
Un arc-en-ciel
S.Borisov, Shutterstock.com
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Les notions qui suivent sont abordées en physique de 5e secondaire.