Optique géométrique
1.
1.1
–
L’OPTIQUE GEOMETRIQUE
Qu’est-ce que la lumière ?
La lumière correspond à un transport d’énergie d’une source A vers un récepteur B : pour s’en convaincre il suffit de rester trop longtemps au soleil sur la plage. En physique, les processus de transport d’énergie peuvent être de deux sortes : Echange d’une particule => transfert d’énergie cinétique avec échange de masse Propagationd’une onde => transfert d’énergie sans échange de masse Electricité Electronique Perturbation le long d’une corde Ride à la surface de l’eau Son
–
–
La lumière est à la fois une particule (photon) et une onde (électromagnétique).
1.2
–
Modèle géométrique de la propagation de la lumière
La propagation de la lumière (énergie lumineuse) s’effectue selon des trajets appelés rayons delumière (lumineux). Dans un milieu homogène (même propriété en tout point) et isotrope (même propriété dans toutes les directions), la lumière se propage en ligne droite. Les rayons de lumière sont des droites fléchées dans le sens de la propagation.
–
–
Exemples de milieux homogènes et isotropes : l’air, l’eau, le verre et le vide. Exemple de milieu non homogène : milieux formés decouches
1
–
Exemple de milieux non isotropes : cristaux
1.3
a.
Grandeurs caractéristiques de la lumière
Longueur d’onde
Lumière monochromatique Une lumière monochromatique n’est pas décomposable (par un prisme). Sa teinte est caractérisée par une grandeur appelée longueur d’onde, que l’on note ?. Exemple : ?Soleil ? 5,55.10?7 m ? 555nm ? 0,555µm Attention aux unités : 1 µm = 10-6m ; 1 nm = 10-9 m ; 1µm = 1000 nm
Lumière polychromatique Une lumière ploychromatique est décomposable par un prisme. Elle correspond à un mélange de plusieurs longueurs d’onde.
Lumière visible L’œil humain est sensible aux ondes de longueurs d’onde comprises entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge). La lumière perçue blanche par un oeil humain est un mélange de toutes ces longueurs d’onde.2
b.
Indice de réfraction
La lumière dans le vide
–
La vitesse de la lumière dans le vide est finie : c ? c vide ? 299792458 m.s ?1 ? 3,00.108 m.s ?1 . c est une constante fondamentale de la physique. C’est la vitesse la plus grande à laquelle peut se propager une information.
La lumière dans un milieu matériel
–
La vitesse de la lumière est toujours inférieure à celledu vide : c milieu ? c vide . Par définition, l’indice de réfraction notée n est le quotient : n ?
c vide ?1 c milieu
Avec cette définition, l’indice du vide est : nvide = 1 (exactement) et l’indice de l’air est : nair = 1,000.
Quelques valeurs d’indice de réfraction Verre H2O à 20°C Fluor – crown Crown moyen Flint dense Flint extradense Verre organique Métacrylate de méthyle Liquides Verresoptiques 486 nm 1,3371 1,4945 1,5214 1,6735 1,8100 1,4990 589 nm 1,3300 1,4895 1,5214 1,6605 1,7875 1,4930 656 nm 1,3311 1,4873 1,5127 1,6553 1,7788 1,4904
L’indice de réfraction n diminue lorsque la longueur d’onde ? augmente.
1.4
Lois de Snell-Descartes
Willebrord Snell (1580 – 1626)
René Descartes (1596 – 1650)
3
a.
Loi de la réfraction
A
N
n1
–
Le rayonréfracté est d’incidence.
dans
le plan
–
I n2
L’angle de réfraction i2 et l’angle d’incidence i1 sont liés par la relation :
n1 sin ? i1 ? ? n 2 sin ? i 2 ?
N’
b. Loi de la réflexion
B
A
N
B
Le rayon réfléchi est d’incidence. dans le plan
n1
–
‘ L’angle de réflexion i1 est égal à l’angle
I n2
d’incidence i1 :
‘ i1 ? i1 en valeur absolue
‘ i1 ? ?i1en valeur algébrique
N’
c. Cas général Lorsqu’un rayon se propageant dans un milieu d’indice n1 atteint un milieu d’indice n2, il y a (en général) production de 2 rayons : un rayon réfléchi et un rayon réfracté selon les lois de Descartes
A
N
R
n1
I n2
N’
T
4
2.
2.1
–
FORMATIONS DES IMAGES
Faisceaux de rayons
La lumière se propage toujours selon un…