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Vidéo de la leçon : Réflexion de la lumière Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les trajectoires de rayons lumineux réfléchis par des surfaces de manière spéculaire ou diffuse, en appliquant la loi de la réflexion.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons parler de la réflexion de la lumière. Ce n’est pas quelque chose auquel on pense très souvent. Mais en fait, le phénomène de réflexion de la lumière est responsable de la plupart de ce que nous voyons tous les jours. Par exemple, considérons cette pièce avec de la lumière entrant par la fenêtre et une lampe là-bas à côté du canapé. Pour nos yeux, ce sont les deux seules sources de lumière présentes ici. Mais pourtant, nous sommes capables de voir tout le reste de la pièce, la table, le canapé, le tapis, le tableau au mur. Chacun de ces objets n’est pas une source de lumière en lui-même. Mais nous les voyons parce que la lumière se réfléchit sur ces objets. Puisque nous allons voir dans cette leçon comment fonctionne la réflexion, considérerons d’abord la lumière à l’origine de la réflexion.

La lumière elle-même a toujours été un peu un mystère pour les scientifiques. D’une certaine manière, il semble que la lumière soit une onde. En effet, si deux ondes lumineuses séparées sont superposées, elles interfèrent, soit de manière constructive ou destructive, ou quelque part entre les deux, tout comme le font les ondes. Mais la lumière peut également se comporter comme une particule. On peut constater cela en particulier dans ce qu’on appelle l’effet photoélectrique. L’effet photoélectrique désigne le fait d’envoyer une unité de lumière, appelée photon, vers une surface métallique. Et si cette unité de lumière, cette particule, est suffisamment énergétique, quand elle atteint la surface, cela a pour effet d’éjecter un électron.

La lumière a clairement ces deux propriétés, la capacité d’interférer avec elle-même et la capacité d’éjecter des électrons, mais pour le moment, au lieu de dire que la lumière est à la fois une onde et une particule, nous allons présenter les choses comme cela. Dans certaines situations, la lumière se comporte comme une onde. Et dans d’autres situations, elle se comporte comme une particule. Dans notre cas, pour parler de la réflexion de la lumière, il est plus utile de considérer la lumière comme une particule que comme une onde. Nous allons en fait imaginer que la lumière est constituée de particules qui se déplacent en ligne droite. Cela signifie que toute quantité de lumière peut être dessinée comme un rayon, ou comme une droite avec une direction particulière. Si ce rayon lumineux ne rencontre aucun obstacle, disons qu’il se trouve dans l’espace, alors il poursuit son chemin sur cette droite à l’infini. Mais si le rayon rencontre un objet, alors les choses sont différentes. Comme on pourrait s’y attendre s’il s’agissait par exemple d’une balle lancée contre un mur, de même qu’une balle, le rayon lumineux est réfléchi. On pourrait presque imaginer que le rayon lumineux rebondit sur cet objet.

Mais il se trouve que lorsque la lumière se réfléchit, elle le fait selon une règle particulière connue sous le nom de la loi de la réflexion. Voici ce que nous dit la loi de la réflexion. Elle dit que l’angle d’incidence d’un rayon lumineux sur une surface, et nous verrons ce que cela signifie dans une seconde, est égal à l’angle de réflexion sur cette surface. Pour mieux comprendre cette loi, considérons un autre exemple de réflexion de la lumière. Disons que nous avons une surface. Il peut s’agir d’une table ou d’un morceau de verre. En fait, la nature du matériau importe peu pour comprendre le phénomène de réflexion. Et disons qu’un rayon lumineux est projeté sur cette surface. Maintenant, la question est de savoir comment ce rayon lumineux va se réfléchir sur cette surface qu’il va rencontrer. C’est-à-dire, comment ce rayon, que l’on appelle rayon incident, va-t-il rebondir sur cette surface ?

La loi de réflexion nous donne l’angle avec lequel il est réfléchi. Comme nous l’avons vu, cette loi fait référence à deux angles particuliers. Le premier est l’angle d’incidence, l’angle avec lequel le rayon lumineux rencontre la surface. Voici comment nous déterminons la valeur de cet angle. Tout d’abord, ce qu’il faut faire c’est considérer une droite le long de la surface sur laquelle le rayon va se réfléchir. Et à l’endroit où le rayon lumineux rencontre la surface, il faut tracer une droite perpendiculaire à la surface. Cette droite s’appelle aussi la normale, normale signifie perpendiculaire. La normale à la surface est une droite très importante car elle va nous aider à définir l’angle avec lequel le rayon incident rencontre la surface. Sur ce dessin, on peut voir deux angles différents, l’un ou l’autre de ces angles peuvent être définis comme l’angle d’incidence.

Le premier angle est l’angle entre la surface et le rayon. Nous appellerons cet angle 𝜃 un. Et le deuxième angle est l’angle entre la normale et le rayon. Et nous appellerons cet angle 𝜃 deux. Maintenant, l’un ou l’autre de ces angles, que nous avons appelé 𝜃 un et 𝜃 deux, peuvent être une mesure de l’angle d’incidence du rayon lumineux. Et remarquez, en passant, que la somme de 𝜃 un et 𝜃 deux vaut 90 degrés. Mais ce qu’il faut retenir ici, c’est que par convention l’angle choisi pour définir l’angle d’incidence est celui que nous avons appelé 𝜃 deux. C’est-à-dire que pour mesurer l’angle d’incidence d’un rayon lumineux sur une surface, il faut mesurer l’angle entre la normale et le rayon incident sur cette surface. En termes de notation, cet angle est souvent noté 𝜃 indice 𝑖. Et c’est ce que nous allons utiliser pour repérer l’angle d’incidence.

Nous connaissons donc maintenant l’angle d’incidence de ce rayon lumineux, ou au moins ce à quoi il ressemble sur notre schéma. Mais il reste encore le deuxième angle auquel la loi de la réflexion fait référence, l’angle avec lequel le rayon est réfléchi par la surface. Et cette loi est particulièrement intéressante car elle nous dit que l’angle d’incidence, que nous avons appelé 𝜃 indice 𝑖, est égal à l’angle de réflexion. C’est-à-dire que si nous partons de la normale et que nous mesurons à partir de là un angle égal à 𝜃 indice 𝑖, l’angle d’incidence, alors ce sera l’angle de réflexion, que nous pouvons appeler 𝜃 indice 𝑟. Et c’est cet angle qui caractérise la manière dont le rayon lumineux incident est réfléchi par la surface.

Donc, pour récapituler rapidement cette loi de la réflexion, lorsque l’on a un rayon lumineux incident sur une surface, c’est-à-dire lorsque un rayon rencontre une surface, alors l’angle avec lequel le rayon frappe la surface, appelé l’angle d’incidence, qui est mesuré à partir de la normale ou droite perpendiculaire à la surface, est égale, selon la loi de la réflexion, à l’angle avec lequel le rayon est réfléchi par la surface. Ce que nous avons appelé 𝜃 indice 𝑟, où cet angle, tout comme l’angle d’incidence, est mesuré de nouveau par rapport à la normale. En utilisant les notations de l’angle d’incidence et de l’angle de réflexion, la loi de la réflexion s’écrit en équation de cette façon. 𝜃 indice 𝑖 est égal à 𝜃 indice 𝑟.

Une bonne nouvelle à propos de la loi de la réflexion, c’est qu’elle s’applique quel que soit le type de surface que rencontre le rayon lumineux. Considérons quelques exemples de surfaces. Imaginez une surface polie très lisse comme celle d’un miroir. Et un rayon lumineux incident. Mais imaginez maintenant un type de surface très différente, une surface rugueuse, par exemple comme du papier de verre à gros grain. Pour chacune de ces surfaces, la surface lisse et la surface rugueuse, la question est la même. Quelle va être la trajectoire du rayon lumineux réfléchi ? Pour ces deux types de surfaces, la loi de la réflexion s’applique.

Pour le miroir lisse, nous pouvons tracer une droite le long du plan du miroir, là où le rayon rencontre le miroir. Et puis, à 90 degrés, perpendiculaire à cette droite, nous pouvons dessiner la normale puis mesurer l’angle entre la normale et le rayon incident. Et nous appellerons cet angle 𝜃 indice 𝑖. Et puis, pour trouver l’angle réfléchi, nous allons mesurer le même angle par rapport à la normale, mais vers la droite, et nous avons 𝜃 indice 𝑟, l’angle de réflexion. Puis, nous pouvons dessiner le rayon réfléchi en fonction de cet angle de réflexion. C’est la méthode à suivre dans le cas d’une surface lisse. Et en fait, nous allons utiliser la même méthode pour la surface rugueuse type papier de verre. Pour la surface rugueuse, nous allons déterminer le point précis où le rayon rencontre la surface. Ensuite, nous traçons cette droite en pointillés, qui est à nouveau alignée avec le plan de la surface en ce point, où le rayon arrive.

Notez que cette ligne pointillée que nous avons tracée au point où le rayon frappe la surface est parallèle à la surface. C’est important parce que nous avons besoin de cette droite pour trouver l’angle exact avec la surface au point où le rayon la frappe, et pas en un autre point. Avec cette droite, nous pouvons alors dessiner la normale, à 90 degrés par rapport à celle que nous venons de tracer Ensuite, sur ce dessin, nous pouvons identifier l’angle d’incidence du rayon lumineux, 𝜃 indice 𝑖. Et puis, pour trouver la direction du rayon réfléchi, nous allons mesurer un angle de même mesure par rapport au côté opposé de la normale. Voilà 𝜃 indice 𝑟. Nous pouvons alors dessiner le rayon réfléchi, ce qui répond à la question concernant la trajectoire du rayon réfléchi.

Maintenant, quand on regarde ces deux surfaces, lisse et rugueuse, on voit tout de suite qu’elles sont très différentes. On peut aussi constater cette différence de surface en envoyant non pas un rayon mais plusieurs rayons lumineux parallèles sur ces surfaces. Cela ressemblerait à quelque chose comme ça. Et voyons comment ces rayons vont se réfléchir sur ces deux surfaces différentes. Dans le cas de la surface type miroir lisse, tous les rayons incidents qui sont arrivés parallèlement vont être réfléchis parallèlement les uns aux autres. Ils vont tous se réfléchir avec le même angle par rapport à la surface lisse. Ce type de réflexion a un nom spécifique. On parle de réflexion spéculaire. Ce terme décrit le phénomène de réflexion où plusieurs rayons parallèles entre eux rencontrent une surface. Et restent parallèles entre eux après être réfléchis. Voilà donc ce à quoi ressembleraient les rayons réfléchis par notre miroir. Mais considérons maintenant, le papier de verre.

Pour cette surface, même si les rayons incidents sont parallèles, ils ne seront pas réfléchis de la même manière. Le premier rayon que nous avons dessiné a été réfléchi comme ceci, rappelez-vous. Mais le deuxième rayon va se réfléchir sur cette surface ici, puis de nouveau ici avant de partir dans cette direction alors que le troisième rayon qui était initialement parallèle va être réfléchi par la surface dans cette direction. Donc en fait, ils arrivent de manière parallèle. Mais ils sont réfléchis dans toutes les directions. Ce phénomène s’appelle la réflexion diffuse. Le nom vient du fait que même si on projette une lumière unidirectionnelle très brillante sur cette surface rugueuse, la lumière réfléchie sera dispersée par la surface dans toutes les directions. C’est pour cela que l’on parle de réflexion diffuse.

Un point important à noter concernant ces deux types de réflexion, c’est que la loi de la réflexion s’applique dans les deux cas. La seule différence est que lorsque la surface est très lisse, comme dans le cas du miroir, ce n’est pas la peine de choisir précisément où tracer la droite parallèle au plan de la surface, car ce plan sera toujours orienté de la même manière. Mais dans l’autre cas, celui de la réflexion diffuse, le point choisi est très important. Lorsque nous avons tracé la première droite, dans ce cas, il fallait être sûr de l’avoir dessinée au niveau du point exact du passage du rayon. De cette façon, nous avions l’inclinaison de la surface en ce point. Bien sûr, l’inclinaison de la surface est très différente pour ces deux autres rayons parallèles. Dans le cas du deuxième rayon, cela ressemblerait à quelque chose comme ceci et dans le cas du troisième rayon, quelque chose comme cela. L’inclinaison change lorsque la surface est rugueuse.

Nous avons vu précédemment que c’est la réflexion de la lumière qui nous permet de voir des objets de tous les jours, ceux qui ne sont pas eux-mêmes des sources de lumière. Cela signifie que chaque fois que nous voyons quelque chose qui n’est pas une source de lumière, ce que nous voyons en fait, c’est la lumière provenant d’une source de lumière qui a été réfléchie sur cet objet. Voyons comment cela fonctionne lorsque la surface, comme dans ce cas, est un miroir plat. Disons que nous avons un grand miroir sur le mur. Et que nous sommes debout le miroir de sorte que nos yeux se trouvent à cette position. Et disons aussi qu’une lampe de poche située au-dessus envoie un faisceau de lumière dirigé vers le miroir. La loi de la réflexion nous dit que l’angle de réflexion de ce rayon sera égal à l’angle d’incidence.

Maintenant, comme nous l’avons vu, dans ce cas, ce que nous voyons ce n’est pas réellement le miroir. Mais c’est la lumière réfléchie par le miroir. En d’autres termes, notre œil regarde la source de lumière, la lampe de poche. Fait intéressant, à cause de la réflexion, notre œil ne voit pas la lampe de poche à l’emplacement où elle se trouve réellement. Notre œil voit la lampe de poche derrière le miroir, selon la droite qui a atteint notre œil en premier. Donc, l’image de cette lampe de poche vue par notre œil n’est pas réelle. Cela s’appelle une image virtuelle.

Ce type d’image, qui n’est pas réelle, mais virtuelle, existe chaque fois que nous regardons un objet dans un miroir. Lorsque nous regardons dans un miroir, la lumière qui atteint nos yeux, tout comme dans le cas de cette lampe de poche, semble provenir d’un point situé derrière le miroir. Mais nous savons que l’objet ne s’y trouve pas. C’est pour cela que l’on parle d’image virtuelle. Maintenant que nous avons vu ces points sur la réflexion de la lumière, entraînons-nous un peu à utiliser ces concepts à travers un exemple.

Quel est l’angle d’incidence du rayon lumineux représenté sur le schéma ?

Nous avons un rayon lumineux incident ici, qui se réfléchit sur une surface plane ici. Et le rayon réfléchi se trouve ici. Sur notre schéma, cet angle de 35 degrés représente l’angle ici entre le rayon réfléchi et la surface. Nous voulons savoir quel est l’angle d’incidence de ce rayon lumineux. Alors, la première chose à faire est de déterminer où se trouve cet angle d’incidence sur le schéma.

Pour cela, rappelons-nous que l’angle d’incidence et l’angle de réflexion d’un rayon lumineux, par convention, sont toujours mesurés par rapport à la normale à la surface sur laquelle le rayon est réfléchi. Cela signifie que cette ligne pointillée ici, qui est la normale à la surface, c’est-à-dire qui lui est perpendiculaire, sert de référence pour mesurer l’angle d’incidence et l’angle de réflexion de ce rayon. L’angle d’incidence du rayon est mesuré entre la normale et le rayon lui-même. Et nous pouvons noter cet angle 𝜃 indice 𝑖. Puis, l’angle de réflexion du rayon, de même, est mesuré à partir de la normale. Il faut partir de la normale et aller jusqu’au rayon réfléchi. Et nous pouvons noter cet angle 𝜃 indice 𝑟, l’angle de réflexion.

Il existe une relation importante entre 𝜃 indice 𝑖 et 𝜃 indice 𝑟 qui mérite d’être rappelée ici. La loi de la réflexion nous dit que l’angle d’incidence d’un rayon lumineux est égal à son angle de réflexion. En équation, cela s’écrit 𝜃 indice 𝑖 est égal à 𝜃 indice 𝑟. En regardant notre schéma, il est évident que si nous pouvons calculer 𝜃 indice 𝑟, alors nous pouvons trouver 𝜃 indice 𝑖 en utilisant la loi de la réflexion. Puisqu’ils sont égaux. Alors, quelle est la valeur de 𝜃 indice 𝑟, l’angle de réflexion du rayon ?

Si nous regardons le plan de la surface sur laquelle le rayon se réfléchit, nous savons que l’angle entre ce plan et la ligne tracée, appelée la normale, vaut 90 degrés. Cela signifie que cet angle ici que nous avons tracé doit lui-même être égal à 90 degrés. Et avec cela étant dit, nous pouvons maintenant écrire une équation donnant 𝜃 indice r en fonction de ces deux angles, 90 degrés et 35 degrés. En regardant le schéma, nous pouvons voir que 𝜃 indice 𝑟, quelle que soit sa valeur, plus 35 degrés est égal à 90 degrés. C’est-à-dire que cet angle réfléchi, 𝜃 indice 𝑟, plus cet angle de 35 degrés doit faire 90.

Donc, trouver 𝜃 indice 𝑟, il faut soustraire 35 degrés des deux côtés de l’équation. En faisant cela, ce terme s’annule avec le terme positif sur le côté gauche. Et nous voyons que 𝜃 indice 𝑟 est égal à 90 degrés moins 35 degrés, ce qui vaut 55 degrés. Maintenant, rappelez-vous que nous cherchons l’angle d’incidence, mais que grâce à la loi de la réflexion, nous savons que cet angle d’incidence est égal à 𝜃 indice 𝑟. Nous pouvons donc écrire que 𝜃 indice angle, l’angle d’incidence, est égal à 55 degrés. Et c’est la réponse à notre question.

Résumons maintenant ce que nous avons vu sur la réflexion de la lumière. Le point le plus important à retenir concernant le phénomène de réflexion de la lumière est la loi de la réflexion. Cette loi dit que l’angle d’incidence d’un rayon lumineux sur une surface est égal à l’angle de réflexion sur cette surface. Nous avons vu que pour déterminer ces deux angles, l’angle d’incidence et l’angle de réflexion, il faut tracer la normale à la surface sur laquelle le rayon de lumière se réfléchit. Les deux angles se calculent en prenant l’angle situé entre la normale et le rayon. En utilisant ces notations, la loi de réflexion peut être résumée de manière mathématique par cette équation. L’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion.

De plus, nous avons vu que la réflexion de la lumière sur une surface peut être spéculaire ou diffuse. La réflexion spéculaire se produit lorsque la surface est lisse et la réflexion diffuse lorsque la surface est rugueuse. Et enfin, nous avons vu que les images formées par des miroirs plats sont appelées des images virtuelles. En effet, l’image vue par notre œil se trouve derrière le miroir, dans un espace virtuel.

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