Chapitre 13 – Réflexion, réfraction et signaux lumineux | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 30 min
Dernière mise à jour : 15 août 2026, 18:05
Nadia, maître-nageuse, surveille le bassin. Un enfant lui demande pourquoi le fond de la piscine semble « tout près » alors que l'eau est en réalité bien plus profonde. Nadia lui explique que c'est la lumière qui « joue un tour » à nos yeux : en sortant de l'eau, les rayons lumineux changent de direction.
Document 1 — Un rayon parti du fond de l'eau se réfracte à la surface : en passant dans l'air, il change de direction.
Sur le schéma du Document 1, repère et nomme les éléments suivants : le rayon incident, le rayon réfracté, la normale et la surface eau / air.
Le rayon incident (orange) part du fond de l'eau et monte vers la surface. La surface eau / air est la ligne horizontale qui sépare les deux milieux. La normale (pointillés) est la droite perpendiculaire à la surface au point où le rayon la traverse. Le rayon réfracté (bleu) repart dans l'air après avoir changé de direction.
Identifie les deux milieux traversés par la lumière et donne la valeur de leur indice de réfraction. Lequel est le plus dense ?
La lumière passe de l'eau (\(n_1 = 1{,}33\)) vers l'air (\(n_2 = 1{,}00\)). L'eau est le milieu le plus dense (indice le plus grand). On passe donc d'un milieu plus dense vers un milieu moins dense.
Applique la loi de Descartes pour calculer l'angle réfracté \(i_2\) dans l'air, avec \(i_1 = 30°\).
Loi de Descartes : \(n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2\).
\[\sin i_2 = \frac{n_1 \sin i_1}{n_2} = \frac{1{,}33 \times 0{,}5}{1{,}00} = \mathbf{0{,}665}\]
\[i_2 = \arcsin(0{,}665) \approx \mathbf{41{,}7°}\]
Compare \(i_2\) et \(i_1\). En passant de l'eau à l'air, le rayon se rapproche-t-il ou s'éloigne-t-il de la normale ? Justifie.
On a \(i_2 \approx 41{,}7° > i_1 = 30°\) : l'angle réfracté est plus grand que l'angle d'incidence. Le rayon s'éloigne de la normale. C'est cohérent : on passe d'un milieu plus dense (eau) vers un milieu moins dense (air), donc le rayon s'écarte de la normale.
L'œil de l'observateur reçoit le rayon réfracté et le prolonge en ligne droite (notre cerveau croit toujours que la lumière vient en ligne droite). Explique pourquoi, dans ces conditions, le fond de la piscine paraît moins profond qu'il ne l'est réellement.
L'œil ne « voit » pas le rayon se courber à la surface. Il prolonge le rayon réfracté en ligne droite vers le bas. Comme le rayon réfracté est plus écarté de la normale, son prolongement croise la verticale au-dessus du point réel du fond. L'image du fond se forme donc plus haut que sa position réelle : la piscine paraît moins profonde. (La profondeur apparente vaut environ profondeur réelle ÷ 1,33.)
Quelle conséquence de sécurité Nadia doit-elle rappeler aux baigneurs avant de plonger dans un bassin dont ils jugent la profondeur « à l'œil » ?
L'eau paraît moins profonde qu'elle ne l'est : on ne doit jamais se fier à la profondeur apparente pour décider de plonger. La profondeur estimée « à l'œil » vaut environ la profondeur réelle divisée par 1,33 : ce que l'on voit n'est donc jamais la vraie hauteur d'eau. Règle de sécurité : lire la profondeur indiquée sur le bord, et ne pas plonger tête la première si elle n'est pas suffisante.
Si on augmente fortement l'angle d'incidence \(i_1\) dans l'eau, l'angle réfracté \(i_2\) augmente aussi. À partir d'un certain angle, le rayon ne sort plus du tout dans l'air : il est entièrement renvoyé dans l'eau. Comment s'appelle ce phénomène, et dans quel objet technique du quotidien est-il utilisé ?
C'est la réflexion totale : au-delà d'un certain angle (angle limite), la lumière ne peut plus passer dans le milieu moins dense et reste piégée dans le milieu dense. Ce phénomène est exploité dans la fibre optique : la lumière rebondit par réflexions totales successives le long du cœur de la fibre et transporte les signaux (internet, téléphone) sur de grandes distances avec très peu de pertes.
En quelques phrases, explique à un camarade pourquoi la piscine paraît moins profonde qu'elle ne l'est. Utilise les mots : réfraction, normale, loi de Descartes, profondeur apparente.
Quand la lumière partie du fond de l'eau atteint la surface, elle change de direction : c'est la réfraction. En passant de l'eau (plus dense) à l'air, le rayon s'éloigne de la normale ; la loi de Descartes \(n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2\) donne ici \(i_2 \approx 41{,}7°\) pour \(i_1 = 30°\). Notre œil prolonge ensuite le rayon en ligne droite et situe le fond plus haut qu'en réalité : c'est la profondeur apparente, plus faible que la profondeur réelle. Voilà pourquoi la piscine semble moins profonde.
Plonge à moitié un bâton (ou une paille) dans un verre d'eau et regarde-le de côté : il paraît « cassé » ou « plié » à la surface. Explique ce que tu observes.
C'est exactement le même phénomène : les rayons venant de la partie immergée du bâton sont réfractés en sortant de l'eau. Notre œil les prolonge en ligne droite, ce qui décale l'image de la partie immergée. Le bâton paraît donc brisé à la surface, alors qu'il est bien droit.
Réponse à la problématique : à la surface entre deux milieux, la lumière subit la réfraction : son trajet change de direction. En sortant de l'eau (\(n_1 = 1{,}33\)) vers l'air (\(n_2 = 1{,}00\)), le rayon s'éloigne de la normale. L'œil prolonge ce rayon en ligne droite, ce qui fait paraître le fond plus haut : la profondeur apparente est plus faible que la profondeur réelle.
📚 Cette activité s'appuie sur la réfraction et la loi de Descartes (leçon Ch13, §3 « La réfraction de la lumière »).