La réfraction est le phénomène qui se produit lorsqu'une onde passe d'un milieu de propagation à un autre. Si les deux milieux ne permettent pas à l'onde de se propager à la même vitesse, sa direction est modifiée : l'onde est alors déviée. Son importance dépend des propriétés des deux milieux traversés.

La direction de l'onde réfractée

Lorsqu'une onde atteint la frontière entre deux milieux, une partie de son front d'onde pénètre dans le second milieu avant le reste de l'onde. Si la vitesse de propagation change, cette partie avance plus vite ou plus lentement que le reste, ce qui provoque une rotation du front d'onde et donc un changement de direction.

Si l'onde arrive perpendiculairement à la surface de séparation, toute l'onde change de vitesse au même instant. Sa direction ne change donc pas, même si sa vitesse est modifiée.

La normale et les angles

On trace une droite imaginaire appelée normale, perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux.

L'angle entre le rayon incident et la normale est l'angle d'incidence. Après la traversée de la surface, l'angle entre le rayon réfracté et la normale est l'angle de réfraction.

La direction de la déviation

Lorsque l'onde pénètre dans un milieu où elle se propage plus lentement, elle est déviée vers la normale.

Au contraire, lorsqu'elle pénètre dans un milieu où elle se propage plus rapidement, elle est déviée en s'éloignant de la normale.

Plus la différence de vitesse entre les deux milieux est importante, plus la déviation est grande.

Les caractéristiques de l'onde

Lorsqu'une onde est réfractée, sa fréquence reste toujours la même, car elle dépend uniquement de la source qui produit l'onde.

En revanche, sa vitesse de propagation change lorsqu'elle passe dans un autre milieu. Sa longueur d'onde est donc également modifiée afin de conserver la relation :

v = λ × f

Une onde qui ralentit possède donc une longueur d'onde plus petite. À l'inverse, lorsqu'elle accélère, sa longueur d'onde augmente.

La réfraction des ondes mécaniques

Les vagues changent de direction lorsqu'elles approchent d'une plage. En eau profonde, elles se déplacent rapidement. En arrivant dans les faibles profondeurs, leur vitesse diminue. La partie de la vague qui atteint les faibles profondeurs en premier ralentit avant le reste, ce qui fait pivoter progressivement le front d'onde. C'est pourquoi les vagues arrivent presque parallèlement au rivage.

Les ondes sonores peuvent également être réfractées dans l'atmosphère lorsque la température ou la densité de l'air varient avec l'altitude. Le son peut alors être dévié vers le sol ou vers le ciel, ce qui explique que certains bruits soient audibles beaucoup plus loin que d'habitude.

Les ondes sismiques sont continuellement réfractées lorsqu'elles traversent les différentes couches de la Terre, dont les propriétés varient avec la profondeur. L'étude de ces déviations permet aux géologues de mieux connaître la structure interne de notre planète.

La réfraction des ondes électromagnétiques

Lorsque la lumière passe de l'air dans l'eau ou dans le verre, sa vitesse diminue et son rayon est dévié vers la normale. En repassant dans l'air, elle accélère et s'éloigne de la normale.

Ce phénomène donne l'impression qu'une paille plongée dans un verre d'eau est cassée, qu'un poisson paraît plus proche de la surface qu'il ne l'est réellement.

La réfraction de la lumière est décrite par la loi de Snell-Descartes :

n₁ × sin(i) = n₂ × sin(r)

où n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des deux milieux, i l'angle d'incidence et r l'angle de réfraction.

Les lentilles convergentes et divergentes utilisent précisément la réfraction de la lumière pour faire converger ou diverger les rayons lumineux et former des images.

L'atmosphère terrestre provoque également une légère réfraction de la lumière provenant des étoiles ou du Soleil. C'est pourquoi le Soleil est encore visible quelques instants après être passé sous l'horizon.

Les prismes dévient la lumière par réfraction et permettent de séparer les différentes couleurs.

Les mirages sont provoqués par la réfraction de la lumière dans des couches d'air de températures différentes.

L'indice de réfraction

Chaque milieu transparent possède un indice de réfraction, noté n, qui caractérise la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu.

Plus l'indice est élevé, plus la lumière se propage lentement. Le vide possède un indice égal à 1, l'air un indice très proche de 1, l'eau environ 1,33 et le verre entre 1,5 et 1,9 selon sa composition.

La réfraction de la lumière est décrite par la loi de Snell-Descartes :

n₁ × sin(i) = n₂ × sin(r)

où n₁ et n₂ sont les indices de réfraction des deux milieux, i l'angle d'incidence et r l'angle de réfraction.

La différence d'indice entre deux milieux détermine l'importance de la réfraction.