Le phénomène de réfraction

Lycée Paul CEZANNE – Aix-en-Provence
2nde – Réforme 2010
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On appelle réfraction de la lumière le brusque changement de direction des rayons lumineux au passage de la
surface de séparation entre deux milieux transparents différents.
Rayon incident
Angle
réfléchi
Rayon réfléchi
Angle
incident i
Milieu 1
(indice
)
Surface de séparation
(aussi appelée dioptre)
Milieu 2
(indice
)
Angle
réfracté r
Rayon réfracté
En vous aidant du schéma précédent, annoter la figure ci-dessous correspondant au dispositif expérimental
que vous allez utiliser :
90°
0°
Lanterne
0°
90°
Votre travail consiste à concevoir et réaliser une expérience qui vous permettra de confirmer ou non les
affirmations et observations des scientifiques qui suivent.
Claudius Ptolemaeus, communément appelé Ptolémée (Ptolémaïs de Thébaïde (haute Égypte)
vers 90 – Canope vers 168) était un astronome et astrologue grec qui vécut à Alexandrie
(Égypte).
Ptolémée n’a pas réussi à déterminer la loi sur la réfraction, il avait cependant remarqué
plusieurs choses :
 Les rayons qui arrivent perpendiculairement à la surface de séparation ne sont pas déviés.
 Lorsque l’angle incident augmente, l’angle réfracté augmente aussi.
 L’importance de la réfraction dépend des milieux utilisés.
Partie I – l’univers
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Robert Grossetête ou Grosseteste, dit aussi Robert de Lincoln, était un érudit anglais,
séculier proche de l'Ordre franciscain, évêque de Lincoln, né vers 1175 et mort en 1253.
Dans son ouvrage « De luce », Robert Grossetête présente la lumière (lux) comme à
l'origine de toute chose: la lumière visible (lumen), la chaleur, la matière. Il développe la
théorie selon laquelle tout le monde physique peut se décrire par de la géométrie.
S'appuyant sur les traités d'optique d’Ibn al Haytham, il étudie les rayons directs, les
rayons réfléchis, les rayons déviés. Il s'intéresse à la formation de l’arc en ciel (« De
iride ») et travaille sur les lentilles et les miroirs. Il étudie la réfraction de la lumière à
travers un récipient sphérique rempli d'eau (« De natura locorum »). Il est à l'origine
d'une règle sur la notion de réfraction :

L'angle de réfraction est égal à la moitié de l'angle d'incidence.
Johannes Kepler, né le 27 décembre 1571 à Weil Der Stadt dans le Bade-Wurtemberg et
mort le 15 novembre 1630 à Ratisbonne en Bavière, est un astronome célèbre pour avoir
étudié l’hypothèse héliocentrique (la Terre tourne autour du Soleil) de Nicolas Copernic,
et surtout pour avoir découvert que les planètes ne tournent pas en cercles parfait autour
du Soleil mais en suivant des ellipses.
Alors qu’il étudie l’orbite de Mars, Kepler voit la nécessité d’étudier également l’optique
afin de mieux comprendre certains phénomènes observés tels la réfraction atmosphérique.
Dès 1603, il parcourt divers ouvrages sur le sujet dont celui de l’Arabe Alhazen.
Kepler rassemble les connaissances de l’époque dans son livre « Astronomia pars
Optica », publié en 1604. Il y explique les principes fondamentaux de l’optique moderne comme la nature de la
lumière (rayons, intensité variant avec la surface, vitesse infinie, etc.), la chambre obscure, les miroirs (plans et
courbes), les lentilles et la réfraction dont il donne la loi suivante :

Pour les petits angles, l’angle incident est proportionnel à l’angle réfracté (quelle serait votre
définition d’un petit angle, alors ?).
René DESCARTES, né le 31 mars 1596 à La Haye en Touraine (localité rebaptisée
Descartes par la suite) et mort à Stockholm dans le palais royal de Suède le 11 février
1650, était un mathématicien, physicien et philosophe français.
Bien que les lois sur la réflexion et la réfraction aient été découvertes avant lui dans la
civilisation arabe, il semble que Descartes les ait redécouvertes seul, à peu près au même
moment que SNELL, vers 1625.
Les lois de SNELL-DESCARTES stipulent qu'arrivé sur une surface de séparation
(appelée dioptre), un rayon lumineux, qui se divise en deux (Le rayon réfracté et le rayon
réfléchi), se comporte de la manière suivante :


L'angle entre le rayon incident et la normale est égal à l'angle entre le rayon réfléchi et la normale.
Si l'on appelle i l'angle orienté entre le rayon incident et la normale, et r l'angle orienté entre le
rayon réfracté et la normale, alors le rapport sin( i ) / sin( r ) est une constante dépendant des deux
milieux séparés par le dioptre.
Partie I – l’univers
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Si les rayons ne sont pas réfractés, est-il possible d’observer de la lumière à la sortie du demi-cylindre en
plexiglas ?
Quelle que soit la valeur de l’angle incident i que vous choisissez, alors r 
i
.
2
Si l’angle incident i ne prend pas de valeurs trop élevées, alors r  k  i .
Vous devez choisir plusieurs valeurs différentes pour l’angle incident i et mesurer à chaque fois la valeur de
l’angle réfracté correspondant.
Il faut regrouper les résultats dans un tableau comme celui ci-dessous :
Angle incident i (en °)
Angle réfracté r (en °)
sin ( i )
sin ( r )
Comment peut-on montrer que sin( i ) / sin( r ) est d’une part constant, et que d’autre part ce rapport dépend
des milieux dans lesquels passe la lumière ?
Partie I – l’univers