Explication : Réflexion, réfraction et puissance des lentilles

May 26, 2023

Un prisme fait plier la lumière entrante de différentes quantités, selon la longueur d'onde - ou la couleur - de cette lumière. Lorsque la lumière traverse le prisme et sort de l'autre côté, elle se propage en un arc-en-ciel.

Ekaterina Demidova/Moment/Getty Images

Par Trisha Muro

il y a 6 heures

Microscopes, télescopes et lunettes. Tous fonctionnent en manipulant le mouvement de la lumière.

Lorsque des ondes de lumière frappent une surface lisse, comme un miroir, elles se reflètent sur celle-ci. Ils se plient ou se réfractent également lorsqu'ils se déplacent entre des environnements de densités différentes, comme lorsque la lumière passe de l'air dans et à travers une lentille de verre. Ensemble, ces propriétés de base de la lumière permettent aux scientifiques de concevoir des lentilles et des miroirs adaptés à leurs besoins, qu'il s'agisse de regarder à travers le cosmos ou au plus profond d'une cellule.

Regardez-vous dans un miroir et vous verrez votre reflet. La loi de la réflexion est simple : quel que soit l'angle que fait un faisceau de lumière lorsqu'il entre en collision avec un miroir, il aura le même angle lorsqu'il rebondit sur la surface du miroir. Si vous faites briller une lampe de poche à un angle de 45 degrés sur le miroir de votre salle de bain, elle rebondira à un angle de 45 degrés. Lorsque vous voyez votre reflet, la lumière qui brille sur votre visage illuminé frappe le miroir à fond, de sorte qu'elle rebondit directement vers vos yeux.

Cela ne fonctionne que parce qu'un miroir est une surface polie extrêmement lisse - et donc réfléchissante. Sa douceur fait que toute la lumière qui la frappe sous un certain angle rebondit dans la même direction. La surface d'un mur peint dans votre chambre, en revanche, est si cahoteuse qu'elle ne reflète pas très bien. La lumière qui frappe le mur se reflétera sur ces bosses, rebondissant dans un mélange de différentes directions. C'est pourquoi la plupart des murs semblent ternes, pas brillants.

Vous avez peut-être remarqué qu'à l'intérieur des lampes de poche et des phares, il y a une seule petite ampoule avec un miroir incurvé derrière elle. Cette courbe recueille la lumière provenant de l'ampoule dans de nombreuses directions différentes et la concentre en un faisceau puissant qui part dans une direction : vers l'extérieur. Les miroirs incurvés sont extrêmement efficaces pour focaliser les faisceaux de lumière.

Le miroir d'un télescope fonctionne de la même manière. Il concentre les ondes lumineuses entrantes d'un objet distant, comme une étoile, en un seul point de lumière qui est maintenant suffisamment brillant pour qu'un astronome puisse le voir.

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Vous savez comment une paille semble se plier lorsqu'elle se trouve dans un verre d'eau ? C'est dû à la réfraction. La loi de la réfraction stipule que les ondes lumineuses se courbent lorsqu'elles se déplacent d'un milieu (comme l'air) à un autre (comme l'eau ou le verre). En effet, chaque support a une densité différente, également appelée « épaisseur optique ».

Imaginez courir le long d'une plage. Si vous commencez à courir sur un chemin bétonné, vous pouvez sprinter assez rapidement. Dès que vous traversez sur du sable, vous ralentissez. Même si vous essayez de bouger vos pieds à la même vitesse qu'avant, vous ne pouvez pas. Vous ralentirez encore plus en essayant de continuer à courir dans l'eau. L'"épaisseur" de chaque surface que vous traversez maintenant - le sable ou l'eau - vous ralentit par rapport au moment où vos pieds se déplaçaient dans l'air.

La lumière aussi change de vitesse dans différents milieux. Et puisque la lumière se déplace par ondes, ces ondes se courberont à mesure qu'elles changeront de vitesse.

Revenons à cette paille dans un verre d'eau : si vous regardez à travers le verre, la paille ressemblera à un zigzag. Ou, si vous avez déjà placé un anneau de plongée au fond d'une piscine peu profonde et tenté de l'attraper, vous aurez remarqué que l'anneau n'est pas exactement là où il semble être. La courbure des rayons lumineux donne l'impression que l'anneau se trouve à une courte distance de son emplacement réel.

Les effets de cette courbure sont plus ou moins importants selon la longueur d'onde ou la couleur de la lumière. Les longueurs d'onde plus courtes, telles que le bleu et le violet, se plient davantage que les plus longues, telles que le rouge.

C'est ce qui provoque l'effet arc-en-ciel lorsque la lumière passe à travers un prisme. Cela explique également pourquoi le rouge est toujours la couleur la plus élevée dans un arc-en-ciel et le violet la teinte la plus basse. La lumière blanche entrant dans le prisme contient toutes les différentes couleurs de lumière. Les ondes lumineuses rouges se plient le moins, de sorte que leur trajectoire reste plus proche d'une ligne droite. Cela laisse du rouge au sommet de l'arc-en-ciel. Les ondes lumineuses violettes se plient le plus lorsqu'elles traversent le prisme, de sorte que la teinte descend vers le bas. Les autres couleurs de l'arc-en-ciel se situent entre le rouge et le violet, en fonction de la courbure de leurs vagues.

La réflexion et la réfraction peuvent fonctionner ensemble, souvent avec des résultats impressionnants. Considérez la courbure de la lumière du soleil lorsqu'elle traverse l'atmosphère terrestre sous un angle faible. Cela a tendance à se produire au lever ou au coucher du soleil. La courbure ou la réfraction de la lumière du soleil peint les nuages ​​près de l'horizon dans une gamme de teintes rouges et oranges.

Vous avez peut-être également remarqué que les couchers de soleil les plus spectaculaires se produisent lorsque l'air est poussiéreux ou humide. Dans ces cas, la lumière du soleil est réfractée par l'atmosphère terrestre et réfléchie par des particules de poussière et de vapeur d'eau.

La même chose se produit dans les arcs-en-ciel. Lorsque la lumière du soleil pénètre dans chaque goutte de pluie individuelle, le rayon de lumière se réfracte lorsqu'il se déplace de l'air vers l'eau de la gouttelette. Une fois à l'intérieur de la goutte de pluie, la lumière se reflète réellement à l'intérieur de la goutte. Il rebondit une fois, puis commence à sortir de la goutte de pluie. Mais au fur et à mesure que la lumière passe de l'intérieur de la goutte dans l'air, elle se réfracte une fois de plus.

C'est deux réfractions plus une réflexion interne.

La lumière traversant les gouttes de pluie forme l'arc distinct d'un arc-en-ciel pour la même raison que la lumière traversant un prisme. Le rouge forme l'arc le plus à l'extérieur et le bleu celui le plus à l'intérieur. Au fur et à mesure que les couleurs s'étalent, nous nous régalons de la beauté de ces teintes tachées. (Un double arc-en-ciel se produit lorsque la lumière rebondit deux fois à l'intérieur de chaque goutte de pluie. Deux réfractions plus deux réflexions internes. Cela inverse l'ordre des couleurs dans le deuxième arc-en-ciel.)

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous ne voyons pas d'arcs-en-ciel dans la neige comme nous le faisons sous la pluie ? Peut-être que cela a du sens maintenant. Les arcs-en-ciel dépendent de la forme presque sphérique des gouttelettes d'eau. La neige est aussi de l'eau, mais ses cristaux ont une forme complètement différente. C'est pourquoi la neige ne peut pas produire le même schéma de réfraction-réflexion-réfraction que les gouttes de pluie.

Les lentilles sont des outils qui tirent parti de la capacité de la lumière à se plier. En façonnant soigneusement un morceau de verre, les opticiens peuvent concevoir des lentilles qui focalisent la lumière pour produire des images claires. Pour magnifier l'apparence d'un objet, les designers combinent souvent une série de lentilles.

La plupart des lentilles sont fabriquées à partir de verre qui a été meulé dans une forme très précise avec une surface lisse. La dalle de verre de départ ressemble à une crêpe épaisse. Au moment où il est broyé dans une lentille, sa forme sera très différente.

Les lentilles convexes sont plus épaisses au milieu qu'à leurs bords. Ils plient un faisceau de lumière entrant vers un seul point focal.

Les lentilles concaves font le contraire. Plus épaisses à l'extérieur qu'en leur centre, elles diffusent un faisceau lumineux. Les deux types de lentilles sont utiles dans les microscopes, les télescopes, les jumelles et les lunettes. Des combinaisons de ces formes permettent aux opticiens de diriger un faisceau de lumière dans n'importe quel chemin nécessaire.

Les miroirs peuvent également être façonnés pour modifier le chemin emprunté par la lumière. Si vous avez déjà regardé votre reflet dans des miroirs de carnaval, ils vous ont peut-être fait paraître grand et maigre, petit et arrondi ou déformé d'une autre manière.

La combinaison de miroirs et de lentilles peut également créer de puissants rayons de lumière, comme ceux d'un phare.

Dans l'un des tours les plus magnifiques de l'univers, la gravité intense peut agir comme une lentille.

Si un objet extrêmement massif - comme une galaxie ou un trou noir - se trouve entre un astronome et l'étoile lointaine qu'il regarde, cette étoile peut sembler être dans un faux endroit (un peu comme l'anneau au fond d'une piscine) . La masse de la galaxie déforme en fait l'espace qui l'entoure. En conséquence, le faisceau de lumière de cette étoile lointaine se plie avec l'espace qu'il traverse. L'étoile pourrait même maintenant apparaître sur l'image de l'astronome sous plusieurs apparences identiques d'elle-même. Ou cela pourrait ressembler à des arcs de lumière tachés. Parfois, si l'alignement est parfait, cette lumière peut former un cercle parfait.

C'est aussi étrange que les tours de lumière d'un miroir funhouse, mais à une échelle cosmique.

angle: L'espace (généralement mesuré en degrés) entre deux lignes ou surfaces qui se croisent au niveau ou à proximité du point où elles se rencontrent.

arc: Une courbe, traçant souvent ce qui semble faire partie d'un cercle.

déployer : Un groupe d'objets vaste et organisé. Parfois, ce sont des instruments placés de manière systématique pour collecter des informations de manière coordonnée. D'autres fois, un tableau peut faire référence à des éléments disposés ou affichés de manière à rendre visibles simultanément un large éventail d'éléments connexes, tels que des couleurs. Le terme peut même s'appliquer à une gamme d'options ou de choix.

astronome: Un scientifique qui travaille dans le domaine de la recherche qui traite des objets célestes, de l'espace et de l'univers physique.

atmosphère: L'enveloppe de gaz entourant la Terre, une autre planète ou une lune.

trou noir: Une région de l'espace ayant un champ gravitationnel si intense qu'aucune matière ou radiation (y compris la lumière) ne peut s'en échapper.

nuage: Un panache de molécules ou de particules, telles que des gouttelettes d'eau, qui se déplacent sous l'action d'une force extérieure, telle que le vent, le rayonnement ou les courants d'eau.

concave: Terme désignant la forme d'une surface quelque peu arrondie, comme l'intérieur d'un bol.

béton : Être solide et réel. (en construction) Un matériau de construction simple en deux parties. Une partie est faite de sable ou de morceaux de roche broyés. L'autre est en ciment, qui durcit et aide à lier les grains de matériau entre eux.

convexe: Une surface qui possède une forme arrondie vers l'extérieur.

cosmos: (adj. cosmique) Un terme qui fait référence à l'univers et à tout ce qu'il contient.

degré : (en géométrie) Unité de mesure des angles. Chaque degré est égal à un trois cent soixantième de la circonférence d'un cercle.

densité: La mesure de la condensation d'un objet, obtenue en divisant sa masse par son volume.

environnement : La somme de toutes les choses qui existent autour d'un organisme ou le processus et la condition que ces choses créent. L'environnement peut faire référence au climat et à l'écosystème dans lequel vit un animal, ou peut-être à la température et à l'humidité (ou même au placement d'objets à proximité d'un élément d'intérêt).

point focal: L'endroit où plusieurs points convergent ou où un faisceau se rétrécit en un point.

se concentrer : (en physique) Le point auquel les rayons (de lumière ou de chaleur par exemple) convergent parfois à l'aide d'une lentille. (En vision, verbe, "se concentrer") L'action que les yeux d'une personne prennent pour s'adapter à la lumière et à la distance, leur permettant de voir clairement les objets.

galaxie : Un groupe d'étoiles - et généralement de la matière noire mystérieuse et invisible - toutes maintenues ensemble par la gravité. Les galaxies géantes, comme la Voie lactée, comptent souvent plus de 100 milliards d'étoiles. Les galaxies les plus sombres peuvent n'en avoir que quelques milliers. Certaines galaxies contiennent également du gaz et de la poussière à partir desquels elles créent de nouvelles étoiles.

la gravité : La force qui attire tout ce qui a de la masse, ou du volume, vers tout autre chose qui a de la masse. Plus quelque chose a de masse, plus sa gravité est grande.

teinte: Une couleur ou une nuance d'une certaine couleur.

lentille : (en biologie) Une partie transparente de l'œil derrière l'iris coloré qui focalise la lumière entrante sur la membrane absorbant la lumière à l'arrière du globe oculaire. (en physique) Matériau transparent qui peut focaliser ou étaler des rayons de lumière parallèles lorsqu'ils le traversent. (en optique) Morceau incurvé de matériau transparent (tel que du verre) qui plie la lumière entrante de manière à la focaliser en un point particulier de l'espace. Ou quelque chose, comme la gravité, qui peut imiter certains des attributs de flexion de la lumière d'une lentille physique.

amplifier: Pour augmenter la taille apparente ou le nombre de quelque chose.

masse: Un nombre qui montre à quel point un objet résiste à l'accélération et au ralentissement - essentiellement une mesure de la quantité de matière à partir de laquelle cet objet est fabriqué.

microscope: Un instrument utilisé pour voir des objets, comme des bactéries ou des cellules individuelles de plantes ou d'animaux, qui sont trop petits pour être visibles à l'œil nu.

optique: Un adjectif qui fait référence à la lumière ou à la vision.

particule: Une quantité infime de quelque chose.

pair : (nom) Quelqu'un qui est un égal, basé sur l'âge, l'éducation, le statut, la formation ou d'autres caractéristiques. (verbe) Examiner quelque chose, rechercher des détails.

indiquer : (en mathématiques) Un point précis dans l'espace qui est si petit qu'il n'a pas de taille. Il a simplement une adresse.

prisme : Un coin triangulaire de verre ou d'une autre substance transparente qui peut plier les composants de la lumière blanche en une succession de bandes colorées semblable à un arc-en-ciel. (v.) Séparer la lumière en ses teintes composantes.

arc-en-ciel : Un arc de couleur affiché dans le ciel pendant ou juste après une pluie. Cela se produit lorsque des gouttelettes d'eau dans l'atmosphère plient (ou diffractent) la lumière blanche du soleil en un certain nombre de ses teintes constitutives : généralement rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

rayon: (en mathématiques) Une ligne qui a une extrémité définie d'un côté, mais l'autre côté continue indéfiniment.

réfléchissant: (v.refléter ; n.m.réflexion ) Adjectif qui fait référence à la capacité d'une chose à réfléchir fortement la lumière. De tels objets peuvent produire un fort éblouissement lorsque la lumière du soleil rebondit sur eux. Des exemples d'objets réfléchissants comprennent un miroir, une boîte métallique lisse, une vitre de voiture, une bouteille en verre, de la glace, de la neige ou la surface aqueuse d'un lac.

réfracter: (n.m.réfraction ) Pour changer la direction de la lumière (ou de toute autre onde) lorsqu'elle traverse un matériau. Par exemple, le chemin de la lumière quittant l'eau et entrant dans l'air se courbera, donnant l'impression que les objets partiellement submergés se courbent à la surface de l'eau.

étoile : Le bloc de construction de base à partir duquel les galaxies sont faites. Les étoiles se forment lorsque la gravité compacte les nuages ​​de gaz. Lorsqu'elles deviennent suffisamment chaudes, les étoiles émettent de la lumière et parfois d'autres formes de rayonnement électromagnétique. Le soleil est notre étoile la plus proche.

télescope : Généralement un instrument de collecte de lumière qui fait apparaître des objets distants plus proches grâce à l'utilisation de lentilles ou d'une combinaison de miroirs incurvés et de lentilles. Certains, cependant, collectent les émissions radio (l'énergie d'une partie différente du spectre électromagnétique) à travers un réseau d'antennes.

chaîne : Un changement de forme, généralement dû à une certaine torsion ou courbure dans une surface ou un plan normalement plat. Un morceau de bois humide peut se déformer en séchant de manière inégale, ce qui le fait s'incliner ou montrer une légère torsion.

vapeur d'eau: Eau à l'état gazeux, susceptible d'être en suspension dans l'air.

vague: Une perturbation ou une variation qui se propage dans l'espace et la matière de façon régulière et oscillante.

longueur d'onde : La distance entre un pic et le suivant dans une série de vagues, ou la distance entre un creux et le suivant. C'est aussi l'un des "étalons" utilisés pour mesurer le rayonnement. La lumière visible - qui, comme tout rayonnement électromagnétique, se propage par ondes - comprend des longueurs d'onde comprises entre environ 380 nanomètres (violet) et environ 740 nanomètres (rouge). Les rayonnements dont les longueurs d'onde sont plus courtes que la lumière visible comprennent les rayons gamma, les rayons X et la lumière ultraviolette. Le rayonnement à plus grande longueur d'onde comprend la lumière infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.

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