La lumière voyage plus lentement dans l'eau que dans l'air en raison de la différence de densité entre les deux milieux. Les molécules d'eau ralentissent la propagation de la lumière par rapport aux molécules d'air moins denses.
La vitesse à laquelle la lumière se déplace dépend directement de l'indice de réfraction du milieu qu'elle traverse. Cet indice, en gros, c'est comme un chiffre qui indique à quel point la lumière ralentit dans un matériau par rapport au vide. Plus il est élevé, plus la lumière galère à avancer vite. Dans le vide, l'indice vaut exactement 1, ça veut dire que la lumière fonce à son max : environ 300 000 km/s. Quand la lumière passe dans l'air, l'indice est à peine supérieur à 1, donc elle ralentit très légèrement. Mais dans l'eau, avec un indice proche de 1,33, la lumière est freinée nettement plus fort et voyage seulement aux alentours de 225 000 km/s. Ce ralentissement vient surtout de l'interaction entre la lumière et les molécules d'eau, qui retarde sa progression.
Quand la lumière passe dans l'eau, elle rencontre constamment des molécules d'eau qui perturbent sa progression. Concrètement, les molécules absorbent temporairement la lumière puis la réémettent immédiatement dans la foulée—cette interaction se produit extrêmement vite mais ajoute tout de même de légères pauses dans le déplacement du rayon lumineux. Chaque fois que ce phénomène a lieu, la trajectoire de la lumière ralentit légèrement. Même si chaque interaction est très brève, leur accumulation rend globalement son voyage plus lent. Ce ping-pong photon-molécule ne change pas vraiment la lumière à la sortie, mais il suffit à expliquer pourquoi la lumière circule plus lentement sous l'eau que dans l'air, où les interactions molécule-photon sont nettement plus rares.
Quand on parle de densité optique, on évoque à quel point un milieu ralentit la lumière en fonction des interactions avec ses molécules. Concrètement, plus un matériau est dense optiquement, plus les photons (les petites particules de lumière) seront freinés lors de leur déplacement. Contrairement à ce qu'on pourrait imaginer, ça n'a pas forcément à voir avec la densité physique — par exemple, certains solides transparents moins denses que l'eau peuvent davantage ralentir la lumière. Tout est lié à la façon dont les molécules du milieu interagissent avec la lumière qui passe à travers, affectant son trajet et donc sa vitesse. Dans l'eau, justement, ces interactions sont plus nombreuses qu'elles ne le sont dans l'air, ce qui explique pourquoi la lumière ralentit davantage dans ce milieu.
La longueur d'onde de la lumière, c'est un peu sa carte d'identité : elle influence sa vitesse quand elle passe d'un milieu à l'autre. Certaines longueurs d'onde, comme celles du rouge ou du bleu, ne sont pas ralenties de la même manière. L'eau absorbe plus efficacement certaines couleurs, notamment vers le rouge, réduisant leur intensité et affectant leur propagation. Quand une longueur d'onde est absorbée, son énergie se disperse dans les molécules et ne continue pas son trajet aussi facilement. C'est pour ça que sous l'eau, tout devient vite bleu-vert : ce sont les couleurs les moins absorbées, qui se diffusent donc mieux et plus loin. Cette différence d'absorption joue énormément sur la façon dont la lumière avance dans l'eau par rapport à l'air, expliquant pourquoi la vitesse y est plus basse.
Dans l'air, les molécules sont espacées, pas très nombreuses et elles interagissent très peu avec la lumière. Résultat : la lumière file quasiment à sa vitesse maximale. Dans l'eau, en revanche, les molécules sont très rapprochées et plus nombreuses. Ça veut dire que les photons vont sans arrêt les rencontrer, être absorbés brièvement, puis réémis. Ça ralentit nettement leur allure. Pour donner une idée : la lumière se déplace à environ 300 000 km/s dans l'air, tandis que dans l'eau, c'est plutôt vers 225 000 km/s. C'est pas un détail, ce ralentissement explique carrément des phénomènes quotidiens comme la fameuse illusion du bâton "cassé" quand on le plonge dans l'eau.
La lenteur relative de la lumière dans les fibres optiques (moins rapide que dans l'air ou le vide) est utilisée volontairement pour transmettre des informations sur de longues distances avec très peu de pertes.
La couleur bleue intense de certaines eaux tropicales s'explique par une faible absorption des longueurs d'onde bleues, permettant ainsi à cette couleur de pénétrer davantage en profondeur, donnant à l'eau ce magnifique aspect turquoise.
L'indice de réfraction du diamant est l'un des plus élevés parmi les matériaux naturels (environ 2,42). Cela signifie que la lumière y ralentit considérablement, ce qui explique pourquoi les diamants brillent autant !
Les arcs-en-ciel apparaissent parce que l'eau disperse la lumière blanche en différentes couleurs. Chaque couleur possédant un indice de réfraction légèrement différent ralentit de manière variable, séparant ainsi la lumière en spectre coloré.
L'impression de déformation provient là aussi de la réfraction. Quand la lumière renvoyée par l'objet immergé traverse l'interface eau-air, elle change d'angle, créant l'illusion d'une distorsion de la forme réelle de l'objet immergé.
Oui, légèrement. La température modifie la densité de l'eau et sa structure moléculaire. Un changement thermique entraîne ainsi une légère variation de l'indice de réfraction, même si ce changement reste minime dans des conditions naturelles habituelles.
Sous l'eau, la lumière ne passe plus directement de l'air à notre œil, mais plutôt de l'eau à notre cornée, modifiant drastiquement l'indice de réfraction auquel notre œil est habitué. Les lunettes de plongée rétablissent une interface air-œil optimale, permettant une vision claire.
Dans l'eau, les différentes couleurs (longueurs d'onde) de la lumière ne voyagent pas exactement à la même vitesse. C'est pourquoi il se produit une dispersion lumineuse, responsable par exemple des arcs-en-ciel visibles via des gouttes d'eau.
C'est dû au phénomène de réfraction. Quand la lumière passe de l'eau à l'air (ou inversement), ses rayons sont déviés. Ce changement d'angle trompe notre perception visuelle et rend les objets immergés plus profonds qu'ils ne le sont réellement.
Oui, même si dans le vide, la lumière se propage toujours à la vitesse constante d'environ 299 792 km/s, dès qu'elle pénètre un autre milieu comme l'eau ou le verre, sa vitesse effective diminue. Cette réduction dépend du milieu et se caractérise par l'indice de réfraction propre à chaque matériau.
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Question 1/5
