La réflexion et réfraction de la lumière

La lumière se propage en ligne droite dans le vide et les milieux transparents à une vitesse de 300 000 km/s, appelée célérité. Lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre, son comportement change de façon prévisible.

La réfraction de la lumière se produit quand un rayon lumineux passe d'un milieu homogène transparent à un autre, changeant de trajectoire à la surface de séparation.

La réflexion de la lumière se produit lorsqu'un rayon lumineux arrive sur une surface réfléchissante et est renvoyé dans une direction symétrique par rapport à la normale de la surface.

En réalité, on observe souvent qu'une partie du rayon incident est à la fois réfléchie et réfractée.

Les lois de Snell-Descartes régissent ces phénomènes :

• Première loi : tout rayon réfléchi a un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence.
• Deuxième loi : n₁ × sin$i$ = n₂ × sin$r$, où n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des milieux.

Concept clé : La réfraction de la lumière explique pourquoi un bâton plongé dans l'eau semble brisé à la surface. Ce phénomène est dû au changement de vitesse de la lumière lorsqu'elle passe de l'air à l'eau.

Les lentilles et la formation d'images

La vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. L'indice de réfraction d'un milieu transparent est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide $c$ et sa vitesse dans ce milieu $v$ : n = c/v. Cet indice est toujours supérieur à 1 pour un milieu matériel.

Une lentille convergente est caractérisée par :

• Son centre optique O
• Ses foyers F et F' situés sur l'axe optique, symétriques par rapport au centre O
• Sa distance focale f' (en mètres), qui est la distance entre O et F'

Propriétés des rayons lumineux à travers une lentille convergente :

• Tout rayon passant par le centre O n'est pas dévié
• Tout rayon arrivant parallèle à l'axe optique ressort en passant par le foyer image F'
• Tout rayon passant par le foyer objet F ressort parallèle à l'axe optique

La vergence (C) d'une lentille est l'inverse de sa distance focale : C = 1/f', exprimée en dioptries. Plus la lentille est épaisse, plus sa vergence est grande.

Le grandissement γ = A'B'/AB est sans unité et indique le rapport entre la taille de l'image et celle de l'objet.

Comparaison importante : L'œil fonctionne comme un système optique similaire à un appareil photo. L'œil réel comporte l'iris, la pupille, le cristallin et la rétine, tandis que l'œil réduit peut être modélisé par un diaphragme, une lentille convergente et un écran. L'appareil photo contient un diaphragme, un objectif et un capteur.

Pour la vision :

• Objet éloigné → œil au repos → cristallin non déformé → image sur la rétine
• Objet proche → accommodation → cristallin bombé → distance focale diminuée