Un tube en U pour guider la lumière

Un tube en U fabriqué en verre, ou à l’aide d’un simple tuyau de plastique transparent, permet de canaliser un faisceau laser depuis l’extrémité d’entrée jusqu’à sa sortie, sans aucune perte à travers les parois latérales. Cette expérience est une belle démonstration du phénomène de réfraction totale, et de son application aux fibres optiques.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un tube en U ou un tuyau de plastique transparent (longueur : environ 1 m)

  • un laser ou un stylo laser

  • de l’eau avec un peu de fluorescéine

  • éventuellement du fil de nylon

Montage et réalisation

Prendre un tube en U et le remplir d’eau complètement. Tenir un laser devant l’ouverture d’une des branches du tube en U, de telle sorte que le faisceau arrive sur la paroi latérale du tube sous une incidence supérieure à 50°.

Le faisceau ne traverse pas la paroi du tube : il sort par l’autre branche du tube en U.

Si l’on utilise un tuyau en plastique, on peut le tordre autant qu’on le désire. La lumière qui entre à une extrémité dans le tuyau rempli d’eau en ressort par l’autre extrémité.

On peut visualiser le trajet de la lumière dans le tube en U en ajoutant une goutte de lait dans l’eau.

Autre possibilité : une variante de cette expérience consiste à introduire la section d’un fil de nylon légèrement de biais dans un faisceau laser. Le fil diffuse la lumière rouge du laser sur une longueur d’environ 50 cm. Pour que la lumière du laser puisse entrer dans le fil de nylon, il faut que sa section soit bien nette.

Explications

Lors du passage de la lumière d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent, on observe le phénomène de réflexion totale pour un angle d’incidence supérieur à une certaine valeur.

Cet angle limite vaut 48,6° pour un dioptre eau-air et 41,8° pour un dioptre verre-air (en prenant 1,5 comme indice de réfraction du verre).

Lorsqu’on tient le laser à l’ouverture du tube en U selon le mode opératoire décrit ci-dessus, l’angle d’incidence de la lumière sur la paroi en verre est toujours supérieur à 48,6° : la lumière subit une réfraction lorsqu’elle pénètre dans le verre et elle arrive sur le dioptre verre-air avec un angle d’incidence supérieur à 41,8°. Elle subit alors une réflexion totale. La lumière ne peut donc pas sortir par les parois latérales du tube en U.

Si l’on met du lait dans l’eau, les particules de lait diffusent la lumière si bien qu’on peut visualiser le trajet du faisceau laser (voir l’expérience « Le faisceau lumineux captif »). Cependant, le phénomène de diffusion provoque une atténuation progressive de l’intensité lumineuse du faisceau à l’intérieur du tube : la lumière observée à la sortie de la deuxième branche du U est donc très affaiblie.

On peut illustrer le fonctionnement des fibres optiques à l’aide du fil de nylon. Les fibres optiques sont utilisées industriellement comme guides de lumière. Lorsqu’on dirige le faisceau du laser sur la section du fil comme décrit ci-dessus, la lumière qui se propage dans le nylon parvient sur la paroi latérale du fil sous une incidence qui est pratiquement toujours supérieure à l’angle limite pour le dioptre nylon-air (voir figure ci-dessous). La lumière subit une réflexion totale : elle reste à l’intérieur du fil de nylon.
Comme la surface du fil est rugueuse, une partie de la lumière qui est dans le fil atteint cette surface sous une incidence inférieure à l’angle limite si bien qu’elle peut sortir. C’est la raison pour laquelle on voit le fil émettre une lueur rouge sur une longueur d’environ 50 cm. Ensuite, la lumière a perdu tellement en intensité qu’elle n’est plus visible. Les fibres optiques industrielles doivent avoir des surfaces bien polies afin de limiter au maximum les pertes dues à ce phénomène.

Remarques

Sur le même thème, voir les expériences « Un arrosoir avec éclairage intégré » et « Le faisceau lumineux captif ».

Références

Université en Ligne : Dioptre plan

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