Un bocal lumineux

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.

Matériel

  • deux bocaux en verre identiques (ou récipients cylindriques) assez hauts
  • une lampe torche
Matériel nécessaire

Expérience

Régler la lampe torche si possible de manière à ce que le faisceau lumineux généré soit un peu divergent. Remplir un des deux bocaux avec de l’eau.

Poser le bocal vide sur une feuille blanche. Eclairer le bocal par le dessus en positionnant la lampe torche au niveau de l’ouverture.

Faire la même manipulation avec cette fois le bocal rempli d’eau. Positionner la lampe torche juste au-dessus de la surface libre de l’eau.

Essayer dans les deux manipulation de positionner la lampe torche au même endroit et comparer la zone illuminée sur la feuille blanche dans les deux cas.

Eclairer le bocal vide en maintenant la lampe torche verticalement au-dessus de l’ouverture.
Eclairer le bocal rempli d’eau en maintenant la lampe torche verticalement au-dessus de la surface libre de l’eau.
Eclairer le bocal vide en maintenant la lampe torche verticalement au-dessus de l’ouverture.
Eclairer le bocal rempli d’eau en maintenant la lampe torche verticalement au-dessus de l’ouverture.

Observations

On constate tout d’abord que la partie éclairée de la feuille est quasiment la même pour une même position de la lampe torche avec ou sans le bocal vide.

Lorsque l’on éclaire le bocal rempli d’eau, l’eau est « canalisée » dans le bocal. On ne voit plus de grand halo lumineux autour du bocal sur la feuille sur laquelle est posé le bocal.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

logo-physique-ludiquePour comprendre les observations précédentes, il faut réfléchir à ce qu’il se passe lorsqu’un rayon lumineux arrive sur une interface de type verre/air ou eau/air.

Comme expliqué dans l’article intitulé Un jet d’eau lumineux, un rayon lumineux arrivant sur n’importe quelle interface génère toujours un rayon réfléchi et un rayon réfracté. Dans le cas d’une interface verre/air ou eau/air, lorsque le rayon arrive avec un angle d’incidence (angle entre le rayon incident et la direction perpendiculaire à l’interface) suffisamment élevé, le rayon réfracté disparaît. On parle alors de réflexion totale.

Cette expérience met en évidence le phénomène de réflexion totale. Le faisceau lumineux dans le verre rempli d’eau subit une réflexion totale sur la paroi est est « guidé » dans le bocal. C’est sur ce principe de réflexion totale de la lumière que fonctionnent les fibres optiques.

Pour aller plus loin

Dans la vidéo de l’expérience ou les photos ci-dessous, à cause du phénomène de réflexion totale, on peut constater que l’on ne peut pas observer d’objets (image de l’ampoule ou doigt) à travers l’eau contenue dans le bocal lorsque l’on effectue une observation par le dessus.

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On peut observer un objet à travers le bocal en verre vide
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On ne peut pas observer un objet à travers le bocal en verre rempli d’eau
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On peut observer le doigt du dessus mais pas le doigt du dessous.

En revanche, si on appuie fortement le doigt, on diminue la couche d’air présente entre le doigt et le verre et on peut commencer à apercevoir le doigt : on dit que la réflexion totale est frustrée.

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En appuyant fortement le doigt sur le verre, on peut voir ce dernier : la réflexion totale est frustrée.

Lorsque l’on mouille le doigt avant de l’appuyer sur le verre, il est plus facile d’éliminer la couche d’air entre le verre et le doigt et d’obtenir la réflexion frustrée : on observe alors très nettement le doigt.

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On peut mouiller le doigt avant de l’appuyer sur le verre
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On appuie le doigt mouillé sur le verre : la réflexion totale est frustrée

Pour une explication vidéo sur la réflexion totale et frustrée :

Illustration expérimentale de la réflexion totale frustrée

La réflexion frustrée est utilisée dans certaines applications dont une des plus connues est un capteur d’empreintes digitales.

La réflexion frustrée est l’analogue en mécanique quantique de l’effet tunnel, mais ceci est un autre histoire !

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