1.3 : La loi de la réflexion
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À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquer la réflexion de la lumière sur les surfaces polies et rugueuses
- Décrire le principe et les applications des réflecteurs d'angle
Chaque fois que nous nous regardons dans un miroir ou que nous plissons les yeux devant la lumière du soleil qui brille d'un lac, nous voyons un reflet. Lorsque vous regardez une feuille de papier blanc, vous voyez de la lumière qui s'en échappe. Les grands télescopes utilisent la réflexion pour former une image des étoiles et d'autres objets astronomiques.
La loi de réflexion stipule que l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence :
\[θ_r=θ_i \label{law of reflection} \]
La loi de réflexion est illustrée sur la figure\(\PageIndex{1}\), qui montre également comment l'angle d'incidence et l'angle de réflexion sont mesurés par rapport à la perpendiculaire à la surface au point où le rayon lumineux frappe.
Nous nous attendons à voir des reflets sur des surfaces lisses, mais la figure\(\PageIndex{2}\) montre comment une surface rugueuse réfléchit la lumière. Comme la lumière frappe différentes parties de la surface sous différents angles, elle est réfléchie dans de nombreuses directions différentes ou diffusée. La lumière diffuse est ce qui nous permet de voir une feuille de papier sous n'importe quel angle, comme le montre la figure\(\PageIndex{1a}\).
Les personnes, les vêtements, les feuilles et les murs ont tous des surfaces rugueuses et sont visibles de tous les côtés. Un miroir, quant à lui, a une surface lisse (par rapport à la longueur d'onde de la lumière) et réfléchit la lumière à des angles spécifiques, comme illustré sur la figure\(\PageIndex{3b}\). Lorsque la Lune se reflète sur un lac, comme le montre la figure\(\PageIndex{1c}\), une combinaison de ces effets se produit.
Lorsque vous vous voyez dans un miroir, il semble que l'image se trouve réellement derrière le miroir (Figure\(\PageIndex{4}\)). Nous voyons la lumière venir d'une direction déterminée par la loi de réflexion. Les angles sont tels que l'image se trouve exactement à la même distance derrière le miroir que vous vous trouvez devant le miroir. Si le miroir est accroché au mur d'une pièce, les images qu'il contient se trouvent toutes derrière le miroir, ce qui peut donner l'impression que la pièce est plus grande. Bien que ces images en miroir donnent l'impression que les objets se trouvent là où ils ne peuvent pas être (comme derrière un mur solide), elles ne sont pas le fruit de votre imagination. Les images en miroir peuvent être photographiées et enregistrées sur vidéo à l'aide d'instruments et se présenter exactement comme elles le font avec nos yeux (qui sont eux-mêmes des instruments optiques). La manière précise dont les images sont formées par les miroirs et les lentilles est abordée dans un prochain chapitre sur l'optique géométrique et la formation d'images.
Réflecteurs d'angle (catadioptres)
Un rayon lumineux qui frappe un objet composé de deux surfaces réfléchissantes mutuellement perpendiculaires est réfléchi exactement parallèlement à la direction d'où il provient (Figure\(\PageIndex{5}\)). Cela est vrai lorsque les surfaces réfléchissantes sont perpendiculaires, et cela est indépendant de l'angle d'incidence. Un tel objet est appelé réflecteur d'angle, car la lumière rebondit depuis son coin intérieur. Les réflecteurs d'angle sont une sous-classe de rétroréflecteurs, qui réfléchissent tous les rayons dans la direction d'où ils proviennent. Bien que la géométrie de l'épreuve soit beaucoup plus complexe, les réflecteurs d'angle peuvent également être construits avec trois surfaces réfléchissantes mutuellement perpendiculaires et sont utiles dans des applications tridimensionnelles.
De nombreux boutons réflecteurs peu coûteux sur les vélos, les voitures et les panneaux d'avertissement sont équipés de réflecteurs d'angle conçus pour renvoyer la lumière dans la direction d'où elle provient. Plutôt que de simplement réfléchir la lumière sur un grand angle, la rétroréflexion garantit une meilleure visibilité si l'observateur et la source lumineuse sont situés ensemble, comme le conducteur et les phares d'une voiture. Les astronautes d'Apollo ont placé un véritable réflecteur d'angle sur la Lune (Figure\(\PageIndex{6}\)). Les signaux laser provenant de la Terre peuvent être renvoyés à partir de ce réflecteur d'angle pour mesurer la distance croissante de quelques centimètres par an jusqu'à la Lune.
Fonctionnant sur le même principe que ces réflecteurs optiques, les réflecteurs d'angle sont couramment utilisés comme réflecteurs radar (Figure\(\PageIndex{7}\)) pour les applications de radiofréquences. Dans la plupart des cas, les petits bateaux en fibre de verre ou en bois ne réfléchissent pas fortement les ondes radio émises par les systèmes radar. Pour rendre ces bateaux visibles au radar (pour éviter les collisions, par exemple), des réflecteurs radar sont fixés aux bateaux, généralement en hauteur.
À titre de contre-exemple, si vous souhaitez construire un avion furtif, les réflexions radar doivent être minimisées pour échapper à la détection. L'une des considérations de conception serait alors d'éviter de créer des angles de 90° à 90° dans la cellule.