Le faisceau lumineux captif

Les lois de Snell-Descartes sur la réfraction sont ici illustrées avec un ballon sphérique éclairé par un rayon laser. Une barrette de plexiglas permet également de visualiser le phénomène de réflexion totale, qui est à la base du guidage de la lumière par des fibres optiques.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un ballon en verre transparent
  • de la fluorescéine
  • de la poudre de lait
  • une règle en plexiglas
  • un pointeur laser

Montage et réalisation


Prendre un ballon transparent.
Verser de l’eau colorée jusqu’à la moitié du ballon transparent avec un peu de poudre de lait pour mieux visualiser le faisceau (car il y a diffusion de la lumière sur les gouttelettes).
Envoyer un faisceau de lumière laser à travers le ballon:

  • une faible fraction de la lumière est réfléchie à la surface de l’eau.
  • la plus grande partie de la lumière traverse le dioptre eau-air en subissant une réfraction qui l’écarte de la normale

L’angle de réfraction augmente lorsque l’angle d’incidence augmente car l’eau est un milieu plus réfringent que l’air.
Lorsque l’angle de réfraction vaut 90°, le rayon réfracté est parallèle à la surface de l’eau.
Au-dessus d’une certaine valeur de l’angle d’incidence, on observe l’intégralité de la réflexion du faisceau lumineux : la réflexion est donc totale.
Dans le cas d’un dioptre eau-air cet angle vaut environ 48°.

Prendre ensuite une lame à face parallèle en plexiglas.
Envoyer le faisceau laser à travers cette lame avec un angle tel qu’il y ait une réflexion totale sur le dioptre plexiglas-air.
Constater que le faisceau se réfléchit ensuite totalement sur chaque dioptre plexiglas-air et qu’il ne peut ressortir que par l’autre extrémité, semblant ainsi guidé par la lame.

Explications

Lorsqu’un faisceau lumineux rencontre la surface de séparation entre deux milieux d’indices de réfraction différents, comme ici l’air et l’eau, on peut observer les phénomènes de réflexion de la lumière, de transmission accompagnée éventuellement de réfraction.
Ce sont la transmission avec réfraction et la réflexion qui interviennent dans l’expérience décrite ici.
Avec le premier dispositif , une faible fraction de la lumière est réfléchie à la surface de l’eau. La plus grande partie de la lumière traverse le dioptre eau-air en subissant une réfraction qui l’écarte de la normale (β > α) car l’eau est un milieu plus réfringent que l’air. L’angle de réfraction β augmente lorsque l’angle d’incidence α augmente. Lorsque β vaut 90°, le rayon réfracté est parallèle à la surface de l’eau. Au-dessus d’une certaine valeur α1 de l’angle d’incidence (α1 < β = 90°), on n’observe plus que la réflexion de l’intégralité du faisceau lumineux, donc la réflexion totale. Dans le cas d’un dioptre eau-air cet angle vaut environ 48°.

Dans le cas de la lame de plexiglas à faces parallèles, le phénomène de réflexion totale se produit à chaque interface entre le plexiglas et l’air (égalité des angles d’incidence car on a deux parallèles coupées par une sécante), si bien que le faisceau ne peut plus quitter le plexiglas où il se trouve de fait « captif ».

Remarques

Le phénomène de réflexion totale permet la transmission à grande distance des signaux lumineux, grâce à des fibres optiques.
Dans les mirages, on croit observer la réflexion d’arbres, de montagnes ou de bâtiments dans ce qui semble être un lac. C’est la conséquence d’une réflexion totale (unique) sur l’interface entre de l’air froid et de l’air chaud à proximité du sol.

Références

Université en Ligne : Dioptre plan

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