Pour les mirages, nous aurons besoin d'expliquer les lois de Descartes sur la réfraction et la réflexion. Ces lois découlent du principe de Fermat, qui dit que le chemin emprunté par la lumière est celui pour lequel le temps de parcours est extremum (minimum ou maximum). Pour expliquer les lois de Descartes, considérons un rayon lumineux, dit incident (S1), arrivant sur une surface séparant deux milieux de propagation (exemple : la surface de l'eau). Ce rayon donne naissance à un rayon réfléchi (J1) qui est renvoyé par la surface et à un rayon réfracté (T2) qui est transmis à l'autre milieu. Ces lois sont illustrées par le schéma suivant :
n2>n1
- Le rayon réfléchi J1 repart avec un même angle de déviation que le rayon incident S1 . Par convention, cet angle est pris par rapport à la normale N1 perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux.
- L'angle de déviation du rayon réfracté T2 dépend d'un paramètre supplémentaire : l'indice de réfraction des milieux 1 et 2. Cet indice est fonction de la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu. Rappelons que la lumière se propage à 299.792.458 m.s -1 dans le vide. Cette vitesse change quand la lumière traverse un autre milieu que le vide. Un rayon lumineux est plus dévié (son angle par rapport à la normale N2 est plus grand) quand il passe dans un milieu 2 dont l'indice de réfraction est plus faible que le milieu de départ. Ainsi, plus la température du milieu est élevée, plus l'indice de réfraction est faible ; plus la densité du milieu est élevée, plus l'indice de réfraction est élevé. L'angle de réfraction j2 est donné par la relation : sin (j2) = [n1*sin (j1)]/n2.
Nous avons donc vu que dans un même milieu, transparent, homogène et isotrope, un rayon lumineux se déplace en ligne droite. Celui-ci est réfracté lorsqu'il franchi la surface séparant deux milieux dont l'indice de réfraction diffère. Ces principes physiques vont nous permettre d'expliquer le fonctionnement d'un mirage.