LUMIÈRE

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Optique géométrique

C'est la plus ancienne des approches de la lumière, qui étudie son trajet et la formation des images. Dès l'Antiquité, Euclide rédigeait un traité d'optique comportant les notions de rayon lumineux, de propagation rectiligne et le principe de « retour inverse » de la lumière.

La réflexion

Nous avons l'intuition que la lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent comme l'air. C'est ainsi que nous pouvons reconstituer l'image des objets qui nous entourent. Le « rayon lumineux », émis par une source de lumière dite primaire – soleil, ampoule, etc. –, vient « frapper » l'objet – qui devient source secondaire – « rebondit » et parvient jusque dans notre œil pour y être perçu.

La loi physique qui régit le phénomène de réflexion de la lumière sur une surface, connue depuis l'Antiquité, très soigneusement vérifiée au Moyen Âge par le physicien arabe Alhazen, a été popularisée par Descartes (1625) : le rayon réfléchi est symétrique du rayon incident par rapport à la normale à la surface (fig. 1a). On peut ainsi expliquer la formation des images dans les miroirs plans, concave ou convexe.

Réflexion et réfraction de la lumière

Dessin : Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La réfraction

Le passage d'un rayon lumineux d'un milieu à un autre (air-eau, air-verre, etc.) s'accompagne d'une déviation ; c'est le phénomène de réfraction. La loi de la réfraction de Snell-Descartes (fig. 1a) s'écrit n1 sin i1 = n2 sin i2, n1 et n2 étant les indices de réfraction des milieux successivement traversés. De 1 dans le vide, l'indice de réfraction passe à 1,3 dans l'eau, 1,5 dans le verre, 2,4 dans le diamant... Plus la différence d'indice est élevée, plus le rayon lumineux est dévié de sa trajectoire initiale. Il existe pour un couple d'indices n1,n2 (n1>n2) un angle au-delà duquel la lumière ne peut plus passer du premier milieu au second : il y a réflexion totale (fig. 1b).

La réfraction de la lumière peut être mise en évidence très simplement en regardant un bâton à moitié plongé dans l'eau : il parait brisé. Notre œil détecte « la fin » de la trajectoire du rayon lumineux dans l'air et le cerveau prolonge en ligne droite pour avoir l'image du point source dans l'eau ; n'intégrant pas la déviation que subit la lumière à la sortie de l'eau, ils reconstituent une fausse image du bout du bâton. C'est également le cas des mirages : la différence de température entre le sol (très chaud s'il s'agit du désert, très froid s'il s'agit d'un océan) et l'air conduit à une variation continue de l'indice de réfraction ; le rayon lumineux est alors courbé, donnant lieu à toutes sortes d'illusions d'optique.

La vitesse de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. L'indice de réfraction est inversement proportionnel à la vitesse de la lumière dans ce milieu. On peut démontrer les lois de Descartes en utilisant le principe de moindre temps, énoncé par Fermat en 1657 : la lumière emprunte le trajet qui lui prendra le moins de temps.

Grâce à la compréhension de ces simples lois, on a pu construire nombre de dispositifs capables de diriger la lumière. Il semble que les premières lunettes de vue datent du xvie siècle : une lentille permet de faire converger les rayons lumineux sur la rétine quand le cristallin de l'œil – lui-même lentille – ne le fait pas correctement. Puis vinrent les assemblages de lentilles qui constituent les microscopes et les lunettes astronomiques jusqu'aux télescopes les plus performants, qui utilisent, eux, plutôt des miroirs. Les fibres optiques qui peuvent transporter la lumière sur de très longues distances utilisent le principe du guide d'onde : la lumière est injectée dans le cœur de la fibre d'indice n1 et se propage le long de la fibre par de multiples réflexions totales successives sur la gaine extérieure d'indice n2 < n1 (fig. 1b).

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Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lumière : phénomènes ondulatoires

Lumière : phénomènes ondulatoires
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lumière : propagation du champ électromagnétique

Lumière : propagation du champ électromagnétique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques
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Pour citer l’article

Séverine MARTRENCHARD-BARRA, « LUMIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 septembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/