1) La Lumière
a) La lumière, qu’est ce ?
La lumière est constituée de particules élémentaires appelées « photons » et d’une onde électromagnétique ondulatoire. Ces photons sont projetés en ligne droite et à très grande vitesse à partir d’une source commune. Les rayons lumineux sont considérés comme des trajectoires de corpuscules (très petite matière).
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est de 299 792,458 km/s soit environ 300 000 km/s.
b) La formation de la lumière
Quand un atome absorbe de l’énergie, un de ses électrons « s’excite » et passe à un niveau d’énergie supérieur.
Quand l’atome se « calme » (au bout de un millième de seconde ou de plusieurs secondes) l’électron revient à son niveau initial et envoie son énergie sous forme de lumière.
c) La propagation rectiligne de la lumière
Le trajet suivi par la lumière pour aller d’un point à un autre est toujours le plus court possible (principe du chemin minimum). Dans un milieu homogène isotrope (qui présente les même propriétés physiques dans toutes les directions), la lumière se déplace en ligne droite : dans un même plan.
2) Les Mirages
a) Les mirages
Les mirages sont des phénomènes d’optique dus à la réfraction de la lumière. Pour comprendre les mirages, il faut tout d’abord comprendre le principe de la propagation rectiligne de la lumière, les lois de Descartes (vu précédemment) sur la réfraction, la réflexion et la caractérisation des milieux optiques. Un milieu optique est caractérisé par un indice dit « indice de réfraction » qui « mesure » la vitesse de la lumière dans ce milieu (n = c / v, avec n : indice du milieu ; c : vitesse de la lumière dans le vide ; v : vitesse de la lumière dans ce milieu). Donc plus cet indice est élevé, plus la lumière se propage lentement dans ce milieu. L’indice de réfraction de l’air dépend de sa densité et donc de sa température. Plus la densité ou plus la température est élevé et plus l’indice est faible et donc plus la lumière est rapide dans ce milieu. Les lois fondamentales de l’optique ne sont pas valable que dans un milieu homogène dans lequel l’indice de réfraction est le même partout.
Exemple : Lorsqu’on plonge un bâtonnet dans l’eau, alors il apparaît « brisé ». Les rayons lumineux qui proviennent de lui sont déviés lorsqu’ils passent de l’eau à l’air, car l’indice de l’air est différent de celui de l’eau.
Le mirage un phénomène de réflexion de la lumière venant d'une région où l'air est frais et pénétrant dans une région où l'air est plus chaud, ou inversement.
En général, on observe des mirages lorsque l'indice de réfraction de l'air atmosphérique varie en fonction de l'altitude, en particulier dû aux de variations de température. Dans ce cas, les trajets des rayons lumineux deviennent courbes. On peut observer surtout les mirages sur des grandes étendues sableuses et désertiques ainsi que sur les routes et certains endroits dépourvus de végétation.
Il existe deux types de mirages, le mirage chaud (ou inférieur) et le mirage froid (ou supérieur).
b) Le principe des mirages
Les mirages ont une explication simple : la lumière suit une trajectoire courbe. Pourtant les rayons lumineux se déplacent en ligne droite, mais la lumière suit une trajectoire rectiligne que dans un milieu homogène, transparent et isotrope : c’est-à-dire dans un milieu d’indice constant. Dans l’air, la température n’est pas constante, entre la température près du sol et celle à un mètre de hauteur il peut y avoir une différence de 10°C. Or, chaque couche d’air de température donnée représente un milieu spécifique ; et chaque milieu d’optique est caractérisé par un indice de réfraction. Ainsi, lorsque la lumière passe d’une couche à l’autre, les rayons lumineux changent de comportement et leur trajectoire en est affectée : changement de direction, changement de vitesse, réfraction, diffusion. Donc quand un rayon lumineux passe d’une couche à l’autre, il change de direction ce qui va avoir pour effet après de nombreuses couches de complètement rabattre le rayon vers le ciel (par exemple). Donc ce sont les variations locales ou globales de température et de pression dans l’atmosphère qui engendre les mirages.
c) Les mirages supérieurs
Le mirage supérieur apparaît lorsque les couches d’air près du sol sont plus froides que les couches d’air supérieures. On les retrouve fréquemment dans les régions polaires ou en mer lorsque la température de l’eau est plus faible que celle de l’air.
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