Les erreurs de perception et leurs conséquences au quotidien
Mirages
Principe et fonctionnement : réfraction et réflexion totale
La différence d'indice de réfraction n entre différents milieux est à l'origine des phénomènes de réfraction et de réflexion totale, et donc des mirages.
En effet, chaque milieu transparent possède un indice de réfraction n qui lui est propre, et défini par le rapport entre la célérité de la vitesse dans le vide c, et la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu en question v :
A chaque changement de milieu, il y a déviation du rayon lumineux selon les lois de Descartes: n1 x sin(i1) = n2 x sin(i2)
c = 299 792 458 m.s-1
v en m.s-1
n: indice de réfraction
i: mesure de l'angle entre le rayon incident et la perpendiculaire à la
surface de séparation des milieux
Effet "flaque d'eau", désert du Sahara
Il existe 2 grands types de mirage, les "chauds" ou inférieurs, et les "froids" ou supérieurs.
On rencontre principalement les premiers en été ou dans les régions chaudes. la température de l'air augmente lorsque l'on se rapproche du sol surchauffé par le Soleil; de ce fait, les couches d'air de température différente ont un indice de réfraction n de plus en plus faible. Un rayon provenant du ciel est donc dévié à chaque changement de couche, jusqu'à devenir presque parallèle au sol. Il atteint alors un angle limite, ce qui entraîne une réflexion totale. Le rayon est renvoyé vers le ciel, et se courbe de nouveau chaque fois qu'il passe d'une couche à une autre. Mais cette fois, n étant croissant, le rayon tend vers la perpendiculaire au sol. Ainsi, le rayon a subi de multiples réfractions, une réflexion totale puis à nouveau des réfractions. Cependant, lorsqu'il arrive dans l’œil de l'observateur, le cerveau de celui-ci considère qu'il a parcouru une ligne droite, et prolonge donc la trajectoire du faisceau lumineux afin de déterminer la position de l'objet. Dans le cas des mirages inférieurs, l'image déduite du trajet apparent des rayons sera située sous l'objet réel (effet "flaque d'eau").
Le même principe est à l'origine des mirages froids ou supérieurs. On les trouve principalement dans les régions froides: plus l'on se rapproche du sol, plus la valeur de n augmente (air de plus en plus froid). La déviation des rayons lumineux tend donc à les rapprocher de la perpendiculaire au sol; ils subissent ensuite une réflexion totale, puis de nouvelles réfractions qui les rapprochent cette fois de la parallèle au sol. Pour l'observateur, l'objet semble flotter en l'air au dessus de l'objet réel. Si la courbure des rayons suit celle de la Terre, un objet situé derrière l'horizon, donc invisible, peut devenir visible sous forme de mirage.
Création expérimentale d'un mirage
Matériel :
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1,5 L de solution aqueuse saturée en sel(indice de réfraction n=1.39)
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500 mL d'eau (indice de réfraction n=1,33 )
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Une cuillère à soupe
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Une pissette
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Un récipient transparent rectangulaire(cuve, cristallisoir,...)
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Un pointeur laser rouge ou vert
Etapes :
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Remplir la la cuve avec la solution aqueuse saturée en sel (S1)
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Ajouter l'eau grâce à la cuillère à soupe: maintenir la cuillère juste au dessus du niveau de S1 et la tourner de façon à avoir le bombé de la cuillère tournée vers le haut, et faire couler un filet d'eau à l'aide d'une pissette sur la cuillère, afin d'éviter que les deux solutions ne se mélangent.
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Pointer le laser horizontalement sur l’un des côtés de la cuve, un peu au-dessus du niveau de la séparation des deux solutions, et observer la courbure du faisceau laser lors du changement de milieu
Nous avons également réalisé cette expérience avec une solution aqueuse saturée en sel et une solution aqueuse de fluorescéine (de même indice que l'eau, soit n=1,33), afin de mieux visualiser la séparation entre les deux milieux aqueux. Nous avons donc utilisé un laser rouge afin de mieux distinguer le faisceau.
Eau salée
Eau salée + eau
Eau salée + fluorescéine
Application de la réflexion totale: les fibres optiques
Depuis la création des premières fibres optiques dans les années 1970, les progrès technologiques ont permis de fabriquer des cœurs plus performants. En effet, un verre de meilleure qualité et un diamètre réduit ( de 50-200 microns ou µm, soit 0,000050 m pour les premières fibres appelées multimodes, à environ 10µm pour les fibres actuelles, dites monomodes), facilitent la progression des rayons et limitent leur dispersion: l'étroitesse du cœur les obligent à emprunter un seul "chemin", presque en ligne droite. Ainsi, le récepteur lumineux du système de communication reçoit un signal lumineux plus rapidement, et celui-ci est de meilleure qualité.
Le principe de la réflexion totale qui intervient dans les mirages est également utilisé dans les fibres optiques. Composées d'un cœur transparent (lieu de la réflexion: quartz, verre, silice,...) entouré d'une gaine (généralement du même matériau que le cœur mais de moins bonne qualité, car n'intervient pas dans la transmission de la lumière), ainsi que d'un revêtement plastique (protection, manipulation facilitée), elles servent à transmettre les informations numériques, par exemple dans les systèmes de communication.
L'indice de réfraction n(c) du cœur étant supérieur à celui de la gaine n(g), le rayon atteint un angle limite de réfraction de l'ordre de 43°, et est donc totalement réfléchi à chaque fois qu'il "percute" la surface de séparation. Cette réflexion totale permet ainsi la conservation du message lumineux tout au long de sa propagation dans la fibre.