Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.
Matériel
- une plaque de verre (comme celle que l’on peut trouver dans un réfrigérateur, on peut aussi utiliser un vitrage de fenêtre)
- une bougie avec des allumettes
- un rapporteur (on peut imprimer un grand rapporteur sur papier)
- des lunettes 3D (utilisées au cinéma) ou des lunettes solaires polarisées
Expérience
Positionner le rapporteur perpendiculairement à la plaque de verre comme sur la photographie. Repérer deux directions inclinées par rapport à la direction perpendiculaire à la plaque de verre d’un angle de 56°. Positionner la bougie suivant une des deux directions précédentes comme sur la photographie ci-dessous.
Se placer dans une position quelconque et observer l’image réfléchie de la bougie par la plaque de verre à travers les lunettes 3D ou les lunettes solaires. Dans le cas des lunettes 3D, mettre les branches du coté de la plaque de verre. Faire pivoter les lunettes autour d’elles mêmes et observer.
Observer maintenant, à travers les lunettes 3D ou les lunettes solaires, l’image réfléchie de la bougie par la plaque de verre dans la direction repérée initialement à 56° de la direction perpendiculaire à la plaque de verre. Faire pivoter les lunettes autour d’elles mêmes et observer.
Observations
Observations
Lorsque l’observateur est dans une position quelconque, quelle que soit l’inclinaison des lunettes 3D ou solaires, on observe l’image réfléchie de la bougie.
Dans le cas d’une observation à 56° de la normale à la plaque de verre, on arrive quasiment à « éteindre » l’image réfléchie de la bougie pour une certaine inclinaison des lunettes.
Que se passe-t-il ?
Pour interpréter cette expérience, il faut invoquer la nature physique de la lumière : la lumière est une onde électromagnétique caractérisée par un champ électrique et un champ magnétique dépendant du temps et se propageant spatialement.
Dans cette expérience, on s’intéresse plus particulièrement à la direction du champ électrique que les physiciens appellent la polarisation. Le champ électrique peut se décomposer en deux vibrations rectilignes perpendiculaires, elles mêmes perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde, c’est-à-dire au rayon lumineux. On peut montrer que lorsqu’une onde lumineuse se réfléchit sur une plaque de verre avec un angle d’incidence approximativement égale à 56° (la valeur exacte dépend de la nature précise du verre), l’onde réfléchie est caractérisée par un champ électrique uniquement dans une direction : la direction perpendiculaire au plan d’incidence de la lumière, défini comme le plan contenant le rayon incident et la droite perpendiculaire au dioptre au point d’incidence. On parle alors d‘incidence de Brewster. Le plan d’incidence dans le cas de notre expérience est quasiment horizontal. L’onde lumineuse sous incidence de Brewster a donc un champ électrique dont la direction est quasi-verticale.
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Par ailleurs, les lunettes 3D ou les lunettes solaires, possèdent, entre autres, une substance particulière sensible à la polarisation de la lumière : elle absorbe l’onde lumineuse possédant un champ électrique dans une certaine direction typique du matériau. Le physicien dit que les lunettes jouent le rôle de polariseur. En pivotant les lunettes autour d’elles mêmes dans notre expérience, on fait tourner cette direction d’extinction.
Ainsi la lumière réfléchie, sous incidence de Brewster, a un champ électrique dans une direction quasi-verticale. Lorsque la direction d’extinction des lunettes est elle même quasi-verticale (ou la direction de passage quasi-horizontale), l’image réfléchie disparaît !
Les photographes connaissent bien cet effet physique. Sur leur appareil photographique, ils utilisent un filtre polarisant afin de supprimer des images parasites indésirables réfléchies par des vitrines, des surfaces aqueuses..
C’est également bien sûr sur ce principe que fonctionnent les lunettes solaires polarisées.