Une bulle d’air argentée

Voici un dispositif très simple et que tout le monde peut fabriquer chez soi : un élastique coincé entre deux lames de verre ! Il permet pourtant d’illustrer de façon spectaculaire le phénomène de réflexion totale.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • 2 lames porte-objet ou 2 petites plaques de verre (environ 5 cm à 8 cm)

  • 3 élastiques (bracelets de caoutchouc)

  • 1 récipient transparent, par exemple un bécher

Montage et réalisation

Placer un élastique entre deux lames porte-objet de façon à former une zone d’air étanche délimitée par les plaques de verre et l’élastique (voir figure ci-dessous).

Maintenir les lames par deux autres élastiques.

Plonger verticalement les lames dans un bécher rempli d’eau, puis les faire pivoter autour d’un axe vertical jusqu’à ce que la bulle d’air emprisonnée entre les lames paraisse argentée.

 
Explications

Le trajet de la lumière incidente est représenté sur la figure ci-dessous. Le rayon incident subit des réfractions sur les dioptres eau-verre et verre-air.

Le phénomène de réflexion totale se produit pour un angle d’incidence supérieur à correspondant à un rayon qui émerge du dioptre verre-air parallèlement à la surface du verre.

Les réfractions sur les dioptres eau-verre (1) puis verre-air (2) obéissent aux lois de Snell-Descartes :

où :

: indices de réfraction de l’eau, du verre et de l’air ;

: angle de réfraction dans le verre – dioptre eau-verre – et aussi angle d’incidence sur le dioptre verre-air car la lame de verre a des faces parallèles.

Les valeurs des indices étant

,

et

(verre ordinaire),

on obtient finalement :

.

Pour l’observateur, la bulle d’air emprisonnée entre les lames semble transparente si les objets situés à l’arrière plan sont visibles.

Lorsqu’on fait pivoter les lames autour d’un axe vertical, on fait varier l’angle d’incidence sur la lame des rayons issus de ces objets.

La lumière issue de ces objets ne parvient plus dans l’œil de l’observateur lorsque l’incidence pour laquelle il y a réflexion totale sur le dioptre verre-air est atteinte.

La bulle d’air paraît alors sombre. Comme la pièce n’est pas dans l’obscurité, une partie de la lumière ambiante est réfléchie par les lames et pénètre dans l’œil de l’observateur (voir à ce propos ce qui est dit sur le pouvoir réflecteur d’un dioptre dans l’expérience « La baguette de verre invisible »). C’est pour cette raison que la bulle présente un reflet argenté.

Références

L’expérience « L’œuf argenté » illustre le même phénomène.

Remarques

Université en Ligne : Dioptre plan

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