Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
32Miroirs et réflexion
La lumière, nous l’avons prouvé, ne contourne jamais les coins — et pourtant, chaque matin, une copie de toi te regarde depuis le mur de la salle de bain, et l’an dernier nous avons promis un tour pour voir malgré tout au coin de la rue. Le tour ne consiste pas à courber la route, mais à la plier. Tout se plie sur une surface remarquable : le miroir.
32.1 Le rebond
Définition 32.1 (Réflexion)
Quand la lumière frappe une surface et rebondit au lieu de la traverser ou d’y mourir, on parle de réflexion : la lumière est réfléchie. Un miroir est une surface si lisse qu’elle réfléchit la lumière de façon parfaitement ordonnée — du métal poli derrière du verre, une eau immobile, une cuillère brillante.
Proposition 32.2 (La règle du rebond)
Un rayon de lumière rebondit sur un miroir comme une balle parfaite rebondit sur un mur : il repart exactement aussi incliné qu’il est arrivé, mais de l’autre côté. Arrivée droite — retour droit. Arrivée en biais — départ en biais, avec la même inclinaison. Les deux angles, celui de l’arrivée et celui du départ, sont toujours égaux.
Exemple 32.3 (Viser avec un rebond)
Parce que le rebond est si ordonné, il peut être visé : avec un petit miroir au soleil, tu peux envoyer une tache de lumière sur n’importe quel mur de ton choix — incline le miroir, la tache obéit. Les marins et les randonneurs en difficulté se servent exactement de cela : un miroir qu’on fait scintiller vers un navire ou un hélicoptère lointain est un signal visible à des kilomètres, alimenté entièrement par le Soleil.
Exemple 32.4 (Pourquoi les murs ne sont pas des miroirs)
Un mur blanc réfléchit beaucoup de lumière — sans quoi la pièce serait sombre — alors pourquoi ne montre-t-il aucune image ? De tout près, sa surface est un paysage de minuscules bosses : chaque rayon qui arrive obéit à la règle du rebond sur sa propre petite pente, et l’armée bien rangée des rayons est dispersée dans toutes les directions. Le poli d’un miroir garde les pentes plates, l’armée reste au pas, et l’image survit au rebond. C’est l’ordre, et non le seul éclat, qui fait une image.
32.2 La personne derrière la vitre
Proposition 32.5 (La règle de l’image)
Un miroir plan montre chaque objet sous forme d’une image placée derrière la vitre, aussi loin derrière que l’objet se tient devant, de même taille, point par point. Recule, et ton image recule aussi ; le monde du miroir est une copie fidèle et pliée du nôtre.
Exemple 32.6 (Pourquoi l’image vit derrière)
Ton œil est une âme simple : il suppose que chaque rayon a voyagé en ligne droite. Le rayon rebondi vient bel et bien de la bougie, en passant par le miroir — mais l’œil le prolonge vers l’arrière à travers la vitre, jusqu’à l’endroit d’où le rayon semble être parti. Tous les rayons rebondis s’accordent sur ce point de départ fantôme : les rayons d’une bougie, une bougie fantôme bien nette. Rien ne se tient derrière le mur, bien sûr — l’image est l’illusion la plus convaincante de la lumière.
Exemple 32.7 (Le monde échangé)
Présente une page écrite au miroir : les lettres reviennent inversées, la gauche et la droite échangées. Voilà pourquoi le mot AMBULANCE est peint à l’envers à l’avant des ambulances : les conducteurs devant, en jetant un œil dans leur rétroviseur, le voient revenir à l’endroit — et se rangent. Deux miroirs peuvent défaire l’échange : un double rebond retourne le retournement.
32.3 Plier la route exprès
Méthode 32.8 (Construire un périscope)
Le regard par-dessus le coin, promis et livré :
- prendre une boîte haute et étroite ; découper une fenêtre près du haut d’une face et une autre près du bas de la face opposée ;
- fixer à l’intérieur un petit miroir derrière chaque fenêtre, chacun incliné à un demi-angle droit, les deux inclinaisons parallèles entre elles ;
- pointer la fenêtre du haut par-dessus le mur (ou au coin de la rue), et regarder dans la fenêtre du bas.
La route de la lumière se plie deux fois : elle descend la boîte entre les miroirs, puis ressort vers ton œil. Les équipages de sous-marins surveillent les vagues avec exactement cela — en version longue et étanche.
Remarque 32.9 (Les cuillères du palais des glaces)
Regarde dans le creux d’une cuillère polie : tu es suspendu à l’envers. Retourne-la : te voilà à l’endroit, mais étiré. Les miroirs courbes obéissent encore à la règle du rebond en chaque point — mais leurs pentes tournent avec la courbure, si bien que les rebonds ordonnés se rassemblent ou s’écartent, et que les images rapetissent, grandissent ou font la culbute. Les miroirs courbes concentrent aussi la lumière : un plat courbe rempli de soleil peut cuire une casserole — souviens-toi des cuiseurs solaires du chapitre sur l’énergie. Leurs lois précises appartiennent à une année plus avancée ; la cuillère en est l’honnête avant-goût.
32.4 Exercices
Exercice 32.1 ★
Énonce la règle du rebond. Que fait un rayon qui arrive droit dessus ?
Exercice 32.2 ★
Un mur blanc réfléchit beaucoup de lumière. Pourquoi ne montre-t-il aucune image, alors que le miroir poli, lui, en montre une ?
Solution
Solution de Exercice 32.2.
La surface du mur est un paysage de minuscules bosses : chaque rayon obéit à la règle du rebond sur sa propre petite pente, les rayons se dispersent donc dans tous les sens et l’image se dissout. Le poli du miroir garde tous les rebonds au pas — ordre conservé, image conservée.
Exercice 32.3 ★
Tu te tiens à devant un miroir plan. Où est ton image, et à quelle distance est-elle de toi ?
Solution
Solution de Exercice 32.3.
Derrière la vitre, à de profondeur — donc à de toi.
Exercice 32.4 ★
Tu avances vers ton image dans le miroir d’un pas lent. Que fait l’image, et à quelle vitesse l’écart entre vous se referme-t-il ?
Exercice 32.5 ★
Pourquoi AMBULANCE est-il peint à l’envers à l’avant des ambulances ? Pour qui se lit-il correctement, et à travers quoi ?
Solution
Solution de Exercice 32.5.
Un miroir échange la gauche et la droite, et un second miroir les rétablit. Le mot est écrit inversé d’avance pour que les conducteurs devant, en le lisant à travers leur rétroviseur, le voient inversé une fois de plus — et revenu au simple AMBULANCE.
Exercice 32.6 ★
Dans le périscope, combien de fois la route de la lumière se plie-t-elle, et que fait chaque pli ? Selon quelle inclinaison les miroirs sont-ils placés ?
Exercice 32.7 ★
Comment une randonneuse munie d’un miroir de poche peut-elle signaler sa présence à un hélicoptère lointain ? Quelles deux idées du chapitre sont à l’œuvre — nomme la règle qui permet de viser le scintillement et le réservoir qui l’alimente.
Solution
Solution de Exercice 32.7.
Incliner le miroir jusqu’à ce que le rayon de soleil rebondi atteigne la cible — la règle du rebond rend le scintillement visable ; le Soleil est le réservoir d’énergie, qui livre la lumière gratuitement. Un scintillement grand comme la poche se voit à des kilomètres.
Exercice 32.8 ★
Une eau immobile reflète les montagnes ; le vent ride le lac et l’image se brise en paillettes. Explique les deux états avec Exemple 32.4.
Solution
Solution de Exercice 32.8.
L’eau immobile est une seule surface lisse : les rebonds restent au pas, et l’image des montagnes survit — un miroir. Le vent brise la surface en d’innombrables facettes inclinées ; chaque facette rebondit selon la règle avec sa propre inclinaison, l’armée perd le pas, et l’image éclate en paillettes dansantes.
Exercice 32.9 ★★
L’œil « prolonge les rayons vers l’arrière ». Sers-t’en pour expliquer pourquoi ton image se tient derrière le mur auquel le miroir est accroché — à un endroit où, certainement, personne ne se tient. Sur quoi tous les rayons rebondis venus de ton nez s’accordent-ils ?
Solution
Solution de Exercice 32.9.
Chaque rayon rebondi atteint l’œil depuis le miroir, mais l’œil le prolonge en ligne droite vers l’arrière, à travers la vitre. Tous les rayons rebondis venus de ton nez, ainsi prolongés, se croisent en un seul et même point derrière le mur — l’œil y construit donc un nez fantôme, et, point fantôme après point fantôme, un toi tout entier. C’est l’accord entre les rayons qui rend l’illusion si nette.
Exercice 32.10 ★★
Un magasin veut qu’un client se tenant à la porte puisse voir, au détour d’un angle aveugle, ce qui se passe dans l’allée. Un seul miroir plan doit être posé là où les deux couloirs se rencontrent. Comment doit-il être incliné, et pourquoi le même montage permet-il à l’allée de voir la porte ? (Les routes de la lumière fonctionnent dans les deux sens.)
Solution
Solution de Exercice 32.10.
Le poser à un demi-angle droit des deux couloirs (incliné en travers de l’angle, comme les miroirs du périscope). Un rayon venu de l’allée se plie sur le miroir et court jusqu’à la porte — et comme les routes de la lumière fonctionnent dans les deux sens, un rayon venu de la porte se plie sur le même chemin en sens inverse jusqu’à l’allée : chaque extrémité voit l’autre dans la même glace.
Exercice 32.11 ★★
L’écriture au miroir revient inversée ; un double rebond « retourne le retournement ». Explique pourquoi le périscope de Méthode 32.8, avec ses deux miroirs, montre la scène à l’endroit et non inversée comme dans un miroir.