Optique

Réflexion totale interne et fibres optiques

Envoyez la lumière d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent et trouvez l'angle critique $\sin\theta_c=n_2/n_1$ où la réfraction disparaît et la réflexion totale commence — le mécanisme qui guide la lumière dans les fibres optiques.

Lycée

⚠ Ne regardez jamais l'extrémité d'une fibre optique ni un faisceau collimaté — l'optique de couplage peut concentrer une lumière laser invisible sur la rétine.

Matériel

Interface entre deux milieux avec rayons incident, réfléchi et réfracté
Curseur « angle d'incidence »
Curseurs « indice n₁ » et « indice n₂ »
Bouton « réinitialiser »

Protocole

Augmenter l'angle d'incidence
Avec n₁>n₂, montez lentement le curseur d'incidence. Le rayon réfracté s'écarte de la normale et rase l'interface à l'angle critique ; au-delà de $\theta_c$ il n'existe plus et toute la lumière est réfléchie. Lisez $\theta_c$ là où le rayon réfracté disparaît.
Vérifier la loi de Snell
Calculez $\theta_c=\arcsin(n_2/n_1)$ à partir des indices des curseurs et comparez à votre lecture — pour verre vers air ( $n_1=1.5$ , $n_2=1.0$ ) attendez $\theta_c\approx41.8°$ . Réglez ensuite un angle sous-critique et vérifiez $n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$ sur le rayon réfracté tracé.
Construire un guide de lumière
Diminuez n₂ ou augmentez n₁ pour réduire $\theta_c$ , puis choisissez un angle d'incidence nettement supérieur — comme dans un cœur de fibre. Expliquez pourquoi les rayons réfléchis le long d'une fibre perdent presque rien, et ce qui rompt la condition si la lumière arrive de l'air vers le verre.

Simulation

Histoire de l’expérience

La loi de réfraction de Snell circulait en manuscrit vers 1621 et fut publiée par Descartes en 1637 ; la réflexion totale en est une conséquence dès que la lumière rencontre un milieu moins réfringent assez obliquement. Tyndall la démontra au public en 1870 en guidant la lumière le long d'un filet d'eau — premier « tuyau de lumière ». Le physicien Narinder Kapany forgea le terme « fibre optique » dans les années 1950, et Charles Kao soutint en 1966 que des fibres de verre assez pures pour les télécommunications étaient possibles — ce qui lui valut le Nobel 2009. La même physique de l'angle critique sous-tend les prismes, lecteurs d'empreintes et capteurs à onde évanescente de la microscopie moderne.

Physiciens associés

James Clerk Maxwell Michael Faraday Augustin-Jean Fresnel

Sujets liés de la bibliothèque

Réflexion totale interne et fibres optiques