Transcription de la vidéo
Le schéma montre que les rayons lumineux dans l’eau subissent une réflexion interne totale en correspondance de la frontière avec de l’air. Le schéma montre également un rayon lumineux dans l’air incident sur la même frontière et au même angle d’incidence. Laquelle des trajectoires A, B et C la lumière incidente suit-elle sur l’eau depuis l’air ?
La question nous demande laquelle des trajectoires la lumière qui se déplaçait initialement dans l’air suivrait après avoir été incidente à la frontière entre l’air et l’eau.
Le schéma dans la question montre la direction d’un rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’eau avant et après avoir été incident à la frontière entre l’air et l’eau. La direction de ce rayon après qu’il soit incident sur la frontière est la même que celle indiquée par le rayon B sur la moitié gauche du schéma. La question indique que le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air et le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’eau forment le même angle d’incidence avec la normale à la frontière entre l’air et l’eau.
Puisque le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air et le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’eau sont incidents à la même frontière avec le même angle par rapport à la normale, on pourrait penser qu’après avoir été incident à la frontière, les rayons se déplacent dans la même direction. Cela signifierait que le rayon B serait la trajectoire du rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air après qu’il soit incident sur la frontière entre l’air et l’eau. Considérons cette possibilité.
Pour que la réponse correcte soit le rayon B, le rayon lumineux qui se déplace initialement dans l’air ne changera pas de direction lorsqu’il est incident sur la frontière entre l’air et l’eau. C’est-à-dire que l’angle d’incidence et l’angle de réfraction seraient égaux. Pour qu’un rayon lumineux ne change pas de direction à une frontière entre deux milieux, au moins l’une des deux choses suivantes doit être vraie: l’angle d’incidence doit être nul ou les deux milieux doivent avoir le même indice de réfraction. Nous pouvons voir que l’angle d’incidence, 𝜃 indice i sur le schéma, n’est pas nul. Donc, cette première affirmation n’est pas vraie.
En ce qui concerne la deuxième affirmation, on ne nous donne pas les indices de réfraction de l’air et de l’eau. Maintenant, nous pourrions rappeler leurs valeurs. Mais même sans cette information, on peut en déduire que l’indice de réfraction de l’eau est supérieur à celui de l’air. Cela peut être résolu en observant ce qui arrive au rayon lumineux qui se déplace initialement dans l’eau avant qu’il ne soit incident à la frontière. Le rayon lumineux qui se déplace initialement dans l’eau ne passe pas dans l’air ; au lieu de cela, il se reflète dans l’eau. Cela s’appelle une réflexion interne totale.
Une réflexion interne totale peut se produire lorsqu’un rayon lumineux est incident à une frontière entre deux milieux. Pour que la réflexion interne totale se produise, l’angle d’incidence doit être un angle supérieur à l’angle critique, 𝜃 indice c, pour la frontière. Cette condition est nécessaire mais pas suffisante. Il doit également être vrai que l’indice de réfraction du milieu du côté de la frontière depuis lequel le rayon se déplace initialement est supérieur à l’indice du milieu de l’autre côté de la frontière. Autrement dit, dans la mesure où le rayon lumineux est initialement dans l’eau, l’indice de réfraction de l’eau doit être supérieur à l’indice de réfraction de l’air.
Regardons à nouveau le rayon lumineux qui se déplace initialement dans l’air. Nous avons vu qu’il n’est pas vrai que les deux milieux ont le même indice de réfraction. Comme aucune de ces affirmations n’est vraie, il ne se peut donc pas que le rayon initialement dans l’air ne change pas de direction à la frontière. Cela signifie que le rayon B ne peut pas être correct. Après avoir éliminé une possibilité, libérons de l’espace à l’écran.
Étant donné que l’indice de réfraction de l’eau est supérieur à l’indice de réfraction de l’air, l’angle de réfraction doit donc être inférieur à l’angle d’incidence. En regardant le trajet du rayon A, nous pouvons voir que l’angle de réfraction est inférieur à l’angle d’incidence. Cela nous indique que le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air pourrait suivre la trajectoire du rayon A.
Il y a aussi la trajectoire du rayon C à considérer. Il n’est pas toujours vrai qu’un rayon lumineux incident à une frontière entre des milieux ne suit qu’une seule trajectoire. Il est possible qu’un rayon incident produise deux rayons en raison de son interaction à la frontière. Le rayon qui suit la trajectoire C ne pénètre pas dans l’eau. Il est réfléchi depuis la surface de l’eau, tout comme le rayon qui subit une réflexion totale interne et qui était initialement dans l’eau. En regardant le rayon qui subit une réflexion totale interne, nous pouvons voir que l’angle que ce rayon forme avec la normale à la frontière entre l’air et l’eau semble être égal à l’angle que forme le rayon incident avec la normale. C’est ce qui doit arriver, selon la loi de la réflexion.
Maintenant, en regardant le rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air comme le rayon C, nous pouvons voir que ces deux rayons semblent également faire des angles égaux avec la normale à la frontière. Nous concluons alors que le rayon C est le rayon qui serait produit par la réflexion du rayon lumineux se déplaçant initialement dans l’air. Puisque nous avons déjà vu que le rayon A serait produit par la réfraction de ce rayon incident, nous avons constaté que le rayon A et le rayon C ont des directions possibles pour le rayon lumineux qui se déplace initialement dans l’air après qu’il ait interagi avec la frontière entre l’air et l’eau. Seul le rayon B a une direction impossible.
Notre réponse est alors que les rayons A et C montrent les trajectoires que la lumière incidente suivrait depuis l’air vers l’eau.
