Réfractant, non ?

Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser et nécessite très peu de matériel.

Matériel

  • une bouteille en plastique transparente remplie d’un liquide coloré (à l’aide d’un colorant alimentaire par exemple)
  • une paille (ou tout objet équivalent comme un stylo ou autre)
  • un grand vase cylindrique rempli d’eau (un simple verre cylindrique peut aussi faire l’affaire pour voir certains effets)
Matériel nécessaire

Expériences

Première expérience

Plonger la moitié de la paille dans l’eau en gardant la paille perpendiculaire à la surface libre de l’eau au centre du vase cylindrique. Puis translater la paille dans le vase de gauche à droite ou d’avant en arrière, et observer l’image de la paille à travers l’eau du vase ou directement à travers le verre du vase.

Deuxième expérience

Plonger la bouteille colorée dans l’eau du vase. Observer l’image de la bouteille à travers le vase rempli d’eau ou à travers le vase sans eau directement. Observer l’effet de la position de la bouteille dans le vase sur son image.

Troisième expérience

Placer la bouteille colorée derrière le vase (à une trentaine de centimètres par exemple) et la translater de gauche à droite. Comparer l’image de la bouteille observée à travers le vase rempli d’eau et celle observée uniquement à travers le vase vide.

Observations

Vidéo des expériences

Première expérience

Plonger la moitié de la paille dans l’eau verticalement à la surface libre de l’eau au centre du vase.
Puis translater la paille vers la gauche dans le vase.
Translater la paille vers la droite du vase.
Déplacer la paille vers le fond du vase (par rapport à l’observateur).
Translater la pailler vers le fond à gauche par rapport à l’observateur.

Deuxième expérience

Plonger la bouteille dans le vase plutôt ver le devant du vase.
Plonger la bouteille dans le vase plutôt vers le fond du vase.

Troisième expérience

Placer la bouteille derrière le vase à une trentaine de centimètres.
Déplacer la bouteille de gauche à droite.
Placer la bouteille juste derrière le vase et la rapprocher.

Que se passe-t-il ?

logo-physique-ludiqueToutes ces observations peuvent être expliquées en utilisant la célèbre la loi de la réfraction de Descartes.

Un rayon lumineux arrivant sur une interface séparant deux milieux donne naissance à un rayon réfléchi et à un rayon réfracté. Pour interpréter les expériences, nous devons considérer le rayon réfracté. Pour simplifier la compréhension des phénomènes, négligeons l’épaisseur du verre dans le vase.

Lorsqu’un rayon lumineux arrive sur une interface air/eau, le rayon réfracté se rapproche de la normale à l’interface (droite perpendiculaire à l’interface à l’endroit où le rayon arrive), suivant la célèbre loi de Descartes nair sin(i) = neau sin(t), où nair et neau représentent l’indice optique respectivement de l’air et de l’eau et où i et t sont les angles d’incidence et de réfraction (voir dessins ci-dessus). A l’opposé, lorsque le rayon arrive sur une interface air/ eau, le rayon se rapproche de la normale.

Lorsque le rayon arrive perpendiculairement à l’interface (i=0°), le rayon réfractée garde la même direction (t=0°). Ceci permet d’expliquer que lorsque l’on plonge la paille au centre du vase, l’image de la paille n’est pas décalée par rapport à l’objet.

En revanche lorsque la paille n’est pas au centre du vase l’image de la paille va être décalée par rapport à l’objet, comme l’indique le dessin ci-dessous : vers la gauche si l’objet est à gauche du centre et vers la droite si l’objet est à droite. Ceci permet de comprendre pourquoi également, un objet plongé dans l’eau du vase paraît plus gros pour l’observateur. Cet effet “grossissant” est d’autant plus marqué que les rayons lumineux parcourent un chemin plus long dans l’eau et donc que l’objet est à l’arrière du vase.

Enfin pour comprendre les dernières observations, il suffit de placer un objet ponctuel sur un dessin et de tracer la trajectoire des rayons lumineux issus de cet objet, suivant la loi de la réfraction que nous avons évoquée plus haut à la traversée de deux interfaces air/eau puis eau/air.

Sur le dessin ci-dessus, on comprend alors pourquoi un objet sur la gauche derrière le vase est visualisé à droite de ce dernier et à gauche si l’objet est situé à droite.

Bonnes expériences !

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