L’expérience du bâton plongé dans l’eau

Plonger un bâton dans l’eau fait partie d’une expérience assez classique. Le résultat obtenu est que le bâton semble cassé. Mais est-ce de la magie ou est-ce juste une question de physique ?

On a tous déjà essayé de plonger, partiellement, un crayon dans un verre d’eau. On a ensuite constaté que le crayon semble cassé, qui, en réalité, est en parfait état. Il en est de même pour le bâton plongé dans l’eau.
En ce qui concerne ce fait observé, ce n’est pas du tout de la magie. Il s’agit d’une illusion d’optique et il y a bel et bien une explication scientifique à ce phénomène.

Il est à noter que cette expérience n’est pas la seule à provoquer une telle illusion. On peut citer, entre autres, les mirages dans le désert.

Pourquoi un bâton plongé dans l’eau semble-t-il cassé ?

Pour comprendre ce fait, il faut prendre en compte 2 phénomènes. Ces derniers sont en relation avec les propriétés de la lumière.

La réflexion de la lumière

Avant tout, il est nécessaire de parler de la vision. Cette dernière n’est autre que la perception de l’homme (par le sens de la vue) des rayons lumineux. Il est question de la « réflexion de la lumière ».

En effet, ce qu’une personne voit c’est la lumière réfléchie par ce qu’il y a autour d’elle. Concrètement, la lumière de la pièce est réfléchie par un objet (un livre par exemple) jusqu’aux yeux. C’est ce qui va permettre à ces derniers de voir ledit objet. Cet objet n’émet pas la lumière, mais il est considéré comme étant une source de lumière secondaire.
C’est ce phénomène de réflexion de la lumière qui permet de voir le bâton.

La réfraction de la lumière

Le second phénomène est ce qu’on appelle la « réfraction de la lumière ». C’est ce phénomène qui confère au bâton un air « cassé ».
Les rayons lumineux se propagent à une vitesse constante dans un milieu homogène (l’air par exemple). Ils se déplacent aussi suivant une trajectoire rectiligne. Mais lorsqu’ils pénètrent dans un autre milieu, leur vitesse sera modifiée. Pour information, la vitesse de la lumière dans l’air (300.000 km/s) est supérieure à celle dans l’eau (206.000 km/s).

Etant donné cette différence de vitesse, la lumière, au moment où il y a contact avec l’eau change immédiatement de trajectoire. Elle dévie alors de sa trajectoire initiale pour compenser la perte de temps (due à la diminution de la vitesse). Ce changement est le phénomène de réfraction de la lumière. En règle générale, la lumière se réfracte dès qu’elle passe d’un milieu à un autre (les 2 milieux ne sont pas homogènes).

Les rayons lumineux réfléchis par le bâton (partie immergée) ne suivent plus une ligne droite jusqu’aux yeux. Ils sont légèrement déviés au niveau de la surface de l’eau. D’après la loi de la réfraction, cette partie immergée semble plus proche de cette surface.
Pourtant, la partie émergée du bâton réfléchit la lumière jusqu’aux yeux sans déviation. C’est cette différence de trajectoire des 2 parties du bâton qui vont créer l’illusion d’optique (le bâton qui semble cassé).