Réfraction de la lumière : pourquoi une paille semble cassée dans l’eau

Une paille plongée dans un verre d’eau paraît décalée à la surface. Elle n’a pourtant pas changé de forme : c’est le trajet de la lumière qui change. Ce phénomène, appelé réfraction, explique aussi le fonctionnement des lentilles et certaines illusions visuelles.

La lumière change de vitesse

La vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu traversé. Dans le vide, elle vaut environ 300 000 kilomètres par seconde. Dans l’eau ou le verre, elle est plus faible. Lors d’un passage oblique entre deux milieux, sa direction peut changer.

L’indice de réfraction se définit par n = c/v, où c est la vitesse dans le vide et v celle dans le milieu. Il n’a pas d’unité.

La loi de Snell-Descartes

Pour deux milieux transparents, la relation est n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Les angles sont mesurés par rapport à la normale, une droite perpendiculaire à la surface. En allant de l’air vers l’eau, un rayon oblique se rapproche généralement de cette normale.

Un exemple numérique

Prenons un rayon arrivant depuis l’air avec un angle de 30°, un indice de 1,00 pour l’air et de 1,33 pour l’eau. On obtient sin θ₂ = 0,50/1,33, soit un angle d’environ 22°. Mesurer depuis la surface au lieu de la normale donnerait une interprétation incorrecte.

Pourquoi l’œil est trompé

Le cerveau localise habituellement une source en prolongeant le trajet apparent de la lumière. Or les rayons provenant de la partie immergée sont déviés en quittant l’eau. Cette partie apparaît donc déplacée par rapport à celle qui reste dans l’air.

À observer

Déplacez votre regard autour d’un verre transparent contenant une paille. Comparez la vue de côté et la vue presque verticale : l’apparence dépend de la géométrie du trajet lumineux.

Mini-quiz

Un changement de vitesse impose-t-il toujours une déviation ? Non : à incidence normale, la lumière peut changer de vitesse sans changer de direction.

À retenir : pour comprendre la réfraction, il faut préciser les milieux, leurs indices et l’angle du rayon.

Source

OpenStax — The Law of Refraction