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1- Réflexion et réfraction :

La proportion de la lumière réfléchie dépend du rapport des indices de réfraction des deux milieux considérés. Le plan d'incidence est défini par le rayon incident et la perpendiculaire, ou normale, à la surface au point d'incidence du rayon (voir figure 1). L'angle d'incidence est l'angle formé par le rayon incident et cette perpendiculaire. Les angles de réflexion et de réfraction sont les angles entre la normale et les rayons réfléchis et réfractés. D'après les lois de la réflexion, l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence et le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale au point d'incidence sont dans le même plan.

Si la surface du second milieu est lisse, il peut agir comme un miroir et produire une image réfléchie (figure 2). La source lumineuse de la figure 2 est l'objet A. On considère qu'un point de A émet des rayons lumineux dans toutes les directions. Les deux rayons qui parviennent au miroir aux points C et D sont réfléchis. La réflexion produit respectivement les rayons (BD) et (CE). Pour un observateur situé devant le miroir, ces rayons semblent provenir d'un point unique F placé derrière le miroir. D'après les lois de la réflexion, les rayons (CF) et (AC) forment le même angle avec la surface du miroir. Il en est de même pour (AC) et (AB). Ainsi, dans le cas d'un miroir plan, l'image d'un objet semble être formée par les rayons issus d'une source située derrière le miroir à une distance de la surface du miroir égale à la distance entre la surface et l'image.

Si la surface du second milieu est rugueuse, les perpendiculaires aux différents points de la surface ont des directions différentes, que l'on peut considérer aléatoires si le milieu est suffisamment rugueux. Dans ce cas, les rayons émis d'un point source sont si dispersés qu'ils ne peuvent former une image.

2- Lois de Snell-Descartes :

D'après cette loi importante, nommée en référence au mathématicien hollandais Willebrord Snell Van Royen, le produit de l'indice de réfraction par le sinus de l'angle d'incidence d'un rayon dans un milieu donné est égal au produit de l'indice de réfraction par le sinus de l'angle de réfraction du deuxième milieu. Le rayon incident, le rayon réfracté et la perpendiculaire au point d'incidence sont dans le même plan. En général, l'indice de réfraction d'un matériau transparent dense est plus élevé que pour un matériau transparent moins dense!; cela signifie que plus un milieu est dense, plus la vitesse de la lumière s'y propageant est faible. Ainsi, un rayon se propageant dans un milieu et qui pénètre dans un second milieu d'indice de réfraction supérieur se rapproche de la normale au plan d'incidence, alors qu'un rayon pénétrant dans un milieu d'indice de réfraction inférieur s'en éloignera. Les rayons incidents perpendiculaires à la surface de séparation des deux milieux sont réfléchis et réfractés perpendiculairement à cette surface. Considérons deux milieux de nature différente, le premier étant plus dense que le second. Un objet situé dans le premier milieu semble plus proche de la surface de séparation des deux milieux pour un observateur situé dans le second milieu, moins dense. Un exemple classique illustre ce phénomène : l'observation d'un objet placé dans l'eau par une personne située au-dessus de la surface de l'eau (figure 3).

Les rayons obliques sont sélectionnés uniquement pour la clarté de l'illustration. Le rayon (DB) provenant de l'objet en D s'écarte de la perpendiculaire vers A. L'objet, de ce fait, semble être situé en C où la ligne ABC est sécante d'une droite perpendiculaire à la surface de l'eau et passant par D.

La figure 4 illustre le chemin suivi par la lumière qui traverse plusieurs milieux dont les surfaces de séparation sont parallèles. L'indice de réfraction de l'eau est inférieur à celui du verre. L'indice de réfraction du premier et celui du dernier milieu étant identiques, le rayon émergeant est parallèle au rayon incident (AB) mais est décalé par rapport à ce dernier. Le décalage est dû à l'action des milieux intermédiaires sur les rayons.

3- Angle limite :

Lorsqu'un rayon pénètre dans un milieu moins dense, il s'éloigne de la normale à la surface de séparation. Comme l'angle de déviation par rapport à cette perpendiculaire augmente avec l'angle d'incidence, il existe un angle d'incidence, appelé angle limite, pour lequel le rayon réfracté forme un angle de 90° avec la normale à la surface de séparation des milieux. Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite, les rayons lumineux sont totalement réfléchis. La réflexion totale est impossible lorsque la lumière passe d'un milieu moins dense à un milieu plus dense. Les trois schémas de la figure 6 illustrent une réfraction ordinaire, une réfraction à l'angle limite et une réflexion totale.

Les fibres optiques utilisent le phénomène de la réflexion totale : la lumière pénètre par une extrémité dans un tube de verre ou de plastique. À l'intérieur de ce dispositif, la lumière se propage par réflexions successives sur la surface intérieure du tube, puis sort par l'autre extrémité. On peut étirer une fibre de verre pour lui donner un très petit diamètre. On peut également recouvrir la fibre d'un matériau d'indice de réfraction inférieur à la surface intérieure de la fibre. Les fibres optiques sont notamment utilisées pour transmettre des images. Ces câbles sont flexibles et peuvent être utilisés pour éclairer comme pour transmettre des images ; ils sont précieux pour effectuer des examens médicaux, car ils peuvent être introduits dans des passages étroits comme les vaisseaux sanguins.

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