Dispersion et réfraction de la lumière

Bases théoriques

La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux quand il traverse la surface séparant deux milieux transparents différents. Cette surface, qui sépare deux milieux transparents différents, est appelée dioptre.
Le plan qui contient le rayon incident et la normale au dioptre est appelé plan d’incidence.

Sur le schéma ci-dessous, vous pouvez observer l'exemple d'un rayon de lumière traversant de l'eau.

Deux lois interviennent dans ce contexte :

• 1ère loi de Descartes de la réfraction : Le rayon réfracté appartient au plan d’incidence.
• 2ème loi de Descartes de la réfraction : Lorsqu’un rayon lumineux est réfracté à travers le dioptre séparant l’air d’un autre milieu transparent, les angles i1 et i2 qu’il forme avec la normale au dioptre vérifie : sin i = n*sin r, où n est une constante caractéristique du milieu (n>1) appelé son indice de réfraction par rapport à l’air.

L’indice d’un milieu est une grandeur sans unité. C'est la vitesse de la lumière dans le vide, ce qui signifie que dans un milieu, celle-ci doit être différente : on la note v. Ainsi, n = c / v.
Quand un rayon arrive de l’air et se réfracte dans un milieu transparent quelconque, il se rapproche de la normale. Inversement s’il arrive d’un milieu transparent quelconque et se réfracte dans l’air, il s’éloigne de la normale.

Expérience avec un prisme optique

En passant à travers un prisme (forme géométrique triangulaire) fait de verre ou de plexiglas, la lumière blanche se transforme en plusieurs lumières colorées. C'est pourquoi l'on dit que le prisme décompose la lumière blanche. Cette suite de lumières colorées est appelée spectre. Les couleurs présentées ici sont celles vues par l'oeil humain, car d'autres couleurs (comme l'infrarouge et l'ultraviolet) font partie de ce spectre mais auquelles notre oeil n'est pas sensible. La lumière est en réalité polychromatique.

Cliquez sur le touche [ i ] de votre clavier pour fare apparaître le prisme optique dans le cadre. Avec votre souris, vous pouvez orientez comme vous le souhaitez le prisme pour oberver comment le lumière blanche est décomposée par une surface séparant deux milieux transparents.

On dit que le milieu, ici le prisme, est dipsersif. On appelle milieu dispersif un milieu transparent dont l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde. Quand il traverse un prisme, un rayon lumineux rencontre deux dioptres : air\verre puis verre\air. C'est à cause du phénomène de dispersion que la lumière blanche est décomposée par un prisme.