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Quatre rayons lumineux identiques traversent de l’eau puis traversent des objets faits de différents milieux. Les milieux des objets ont tous des densités différentes et la lumière se déplace à des vitesses différentes. Dans lequel des objets suivants la lumière se déplace-t-elle à la plus grande vitesse ?
Il s’agit d’une question à propos la lumière pénètrant et sortant ensuite d’un milieu qui a une densité différente du milieu dans lequel elle voyageait à l’origine. La question nous dit que tous les blocs gris ont des densités différentes. Pour répondre à cette question, on doit utiliser les différents trajets empruntés par les rayons lumineux incidents à travers les blocs pour identifier le rayon qui a la plus grande vitesse. Fait important, chacun des quatre rayons lumineux pénètre dans le nouveau milieu avec le même angle et au même emplacement. Cela signifie que l’on sait que toute différence dans leur trajet à travers le nouveau milieu sera due à leur différence de vitesse causée par les différentes densités des nouveaux milieux.
Rappelons-nous que la réfraction est un changement de direction de la lumière que l’on voit ici. La réfraction se produit lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre. En effet, la lumière se déplace à différentes vitesses dans différents milieux. Lorsque la lumière passe d’un milieu de densité plus faible à un milieu de densité plus élevée, le rayon se rapproche de la normale et la lumière ralentit. Plus le changement de densité est important, plus le changement de vitesse et de direction est important. Lorsque la lumière passe d’un milieu plus dense à un milieu moins dense, le rayon se détourne de la normale et la lumière s’accélère. Encore une fois, plus le changement de densité est important, plus la vitesse et la direction changent, cette fois-ci en s’éloignant de la normale plutôt qu’en direction de celle-ci.
Dans les quatre Schémas, la lumière est réfractée deux fois. Ceci s’explique car la lumière pénètre dans un milieu différent deux fois. La première réfraction se produit quand elle pénètre dans le bloc gris. La deuxième réfraction se produit quand elle quitte le bloc gris. On cherche l’objet dans lequel la lumière se déplace avec la plus grande vitesse. Ainsi, en regardant le premier changement de direction, lorsque la lumière pénètre dans l’objet, on doit identifier l’objet dans lequel le rayon subit le plus grand changement de direction par rapport à la normale.
Dans la figure (A), on voit que le rayon est dévié vers la normale et non le contraire. Autrement dit, l’angle 𝜃r entre le rayon réfracté et la normale est plus petit que l’angle 𝜃i entre le rayon incident et la normale. La même chose est vraie dans les Schémas (B) et (D), bien que l’on peut noter que le changement de direction est à peine perceptible dans le Schéma (B). Cela indique que le milieu est proche de la densité du milieu environnant, et que le changement de vitesse est faible. Dans les Schémas (A), (B) et (D), la vitesse de la lumière diminue dans l’objet.
La figure (C) est la seule qui montre que la lumière s’éloigne de la normale lorsqu’elle pénètre dans l’objet. Autrement dit, le Schéma (C) est le seul dans lequel l’angle de réfraction 𝜃 r est supérieur à l’angle d’incidence 𝜃 i. Puisque la lumière s’éloigne de la normale lorsqu’elle pénètre dans l’objet, cela signifie que la vitesse de la lumière augmente dans l’objet dans le Schéma (C). Puisque le Schéma (C) est le seul cas où la vitesse de la lumière augmente dans l’objet par rapport à sa vitesse dans l’eau environnante, alors il doit s’agir de l’objet dans lequel la lumière se déplace à la plus grande vitesse.
Par conséquent, notre réponse à cette question est le Schéma (C).
