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Imaginez une cuillère placée dans un demi-verre d'eau. La cuillère semble se plier à la limite air-eau. En effet, les rayons lumineux qui atteignent vos yeux sous l’eau changent de direction lorsqu’ils passent dans l’air. Ce phénomène est appelé réfraction. Plusieurs facteurs déterminent l'angle d'inclinaison d'un rayon lumineux lors du passage d'un support à un autre.
Angle d'incidence
Si un rayon lumineux traverse d'un support à un autre - par exemple de l'air au verre - perpendiculairement à la surface entre les supports, il ne change pas de direction, il passe de part en part. Si, par contre, il frappe la surface selon un angle par rapport à la perpendiculaire, il change de direction au fur et à mesure de son passage dans le deuxième support. L'angle que fait le rayon lumineux avec la perpendiculaire dans le premier milieu s'appelle l'angle d'incidence. L'angle que fait le rayon lumineux avec la perpendiculaire dans le deuxième milieu s'appelle l'angle de réfraction. La relation entre l'angle d'incidence (i) et l'angle de réfraction (r) est donnée par la loi de Snells: sin (r) / sin (i) = ni / nr, où ni est l'indice de réfraction du premier milieu et nr est l'indice de réfraction du deuxième milieu. Pour une paire fixe de médias, ni / nr est fixé. Il est donc clair que lorsque l'angle d'incidence i change, l'angle de réfraction r change également.
Indices de réfraction
D'après la loi de Snells, vous pouvez voir que l'angle de réfraction dépend du rapport ni / nr des indices de réfraction des deux milieux. Si nr est supérieur à ni - par exemple, lorsque la lumière passe de l'air (ni = 1,0) au verre (ni = 1,5) - l'angle de réfraction est inférieur à l'angle d'incidence, c'est-à-dire que le rayon lumineux se courbe vers la perpendiculaire à la surface entre les deux supports lorsqu’il passe dans le second support. Si nr est plus petit que ni, le rayon lumineux qui pénètre dans un autre support s’éloigne de la perpendiculaire à la surface entre les deux supports.
Longueur d'onde de la lumière
L'angle de réfraction dépend également de la longueur d'onde de la lumière. La lumière visible de différentes couleurs a différentes longueurs d'onde et des indices de réfraction légèrement différents. La différence est si petite que vous ne la voyez pas lorsque la lumière blanche passe par une plaque de verre plate, par exemple. Mais lorsque la lumière blanche traverse un prisme et est réfractée deux fois sur les deux surfaces, chaque couleur se plie sous un angle différent et vous pouvez voir clairement les couleurs séparées.
Anisotropie
Dans certains cas particuliers, l'indice de réfraction dans un milieu peut dépendre de la direction dans laquelle la lumière traverse le milieu. Certains cristaux minéraux ont deux indices de réfraction distincts dans les deux sens et sont appelés matériaux biréfringents. Par exemple, la tourmaline est un cristal avec deux indices de réfraction: 1,669 et 1,638. Pour ces matériaux, l'angle de réfraction dépend de l'orientation de la limite entre le support et les axes spéciaux du cristal.