Lois fondamentaux de l’optique géométrique - Cours Optique géométrique SVT S1

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Plan du cours

I – Introduction
  I-1- Généralités
  I-2- Optique géométrique et optique physique
II - Nature de la lumière
  II-1- Lumière blanche
  II-2- Vitesse de propagation
  II-3- Indice de réfraction III - Théories de la lumière
  III-1- Théorie ondulatoire
  III-2- Théorie corpusculaire IV - Principes et lois de l’optique géométrique
  IV-1- Le rayon lumineux
  IV-2- Rayon lumineux dans l’expérience
  IV-3- Observations et hypothèses
  IV-4- Principes de l’optique géométrique
  IV-5- Les lois de Snell-Descartes
     IV-5-1- Réflexion
     IV-5-2- Réfraction
     IV-5-3- Les Limites de réfraction

Objectifs :
* Découvrir comment se répand la lumière à partir d’une source ponctuelle.
* Comprendre les lois de Descartes.
* Observer la réflexion interne totale et découvrir dans quelles conditions elle a lieu.

Bref aperçu :

⎖ Notre capacité à observer les objets qui nous entourent dépend du parcours de la lumière entre l’objet et nos yeux. Newton a été le premier à penser que la lumière est formée de particules et peut être décrite par des rayons lumineux rectilignes dans la direction de déplacement de celle-ci. Il ne concevait pas la lumière comme des ondes. Au 19ème siècle, de nombreuses observations d’interférences lumineuses montrent, de manière irréfutable, que la lumière se propage dans l’espace sous forme d’ondes.

⎖ Curieusement, la théorie de l’effet photoélectrique d’Einstein au début du 20ème siècle, établit à nouveau que la lumière peut être considérée comme un ensemble de particules appelées photons. Nous savons de nos jours que la lumière peut être considérée, selon les deux points de vue, comme étant formée de particules ou d’ondes.

⎖ Lorsqu’une lumière interagit avec des objets de dimensions bien plus grandes que sa longueur d’onde, elle peut être décrite soit par des ondes soit par des rayons lumineux rectilignes. Quand elle interagit avec des objets de faibles dimensions - de l’ordre de grandeur de sa longueur d’onde l - un modèle ondulatoire est alors nécessaire pour décrire correctement les interactions.

⎖ Etant donné que les éléments optiques tels que les lentilles, les miroirs et les prismes sont généralement de dimensions bien supérieures à celles des longueurs d’ondes lumineuses (de l’ordre du millionième du mètre) le modèle de rayon - usuellement appelé rayons lumineux ou optique géométrique – est bien adapté. 

Ce module d’Optique géométrique s’intéressera uniquement à de telles situations

I – Introduction

I-1- Généralités

L’optique : 
Partie de la physique qui s’intéresse à l’étude des phénomènes lumineux perçus par l’œil.

Source de lumière :
Objet qui émet un rayonnement : soleil, étoiles, lampes etc…

Milieux :
Espaces situés entre un objet lumineux et un récepteur «Œil» : milieux transparents, opaques et translucides

Indice de réfraction : 
Caractérisant un milieu transparent à la lumière. L’indice absolu n se définit du fait d’une interaction entre la matière et la lumière la traversant : n = c/v

Rayon lumineux : 
Peut être définit comme une ligne droite éclairée

Lumière visible : 
Partie du spectre électromagnétique visible à l’œil nu. Elle est comprise entre l’Ultra violet et l’Infra rouge tel que : 

0,39 µm < λ < 0,76 µm

I-2- Optique géométrique - Optique physique

a) L’optique géométrique

Etudie les effets macroscopiques de l’optique tel que :
  La propagation rectiligne
  La réflexion de la lumière
  La réfraction de la lumière

b) L’optique physique

Etudie la relation entre la lumière et la matière. On l’interprète par des phénomènes tels que :
  La diffraction de la lumière
  Phénomène d’interférence
  Emission et absorption

Figure de diffraction

II – Notions sur la lumière

      II-1- Lumière blanche

La lumière blanche fournie par le soleil ou  une lampe à incandescence peut être  décomposée par un prisme.
La radiation obtenue est monochromatique.

Prisme

II-2- Lumière monochromatique

La lumière monochromatique est composée d’une seule couleur correspondant à une longueur d’onde λ bien définie.

Rayons lumineux parallèles et divergents :
En optique géométrique, la lumière qui se propage dans l’espace est représentée par des lignes droites appelés rayons, dessinés dans la direction de propagation des ondes lumineuses. Les fronts d’onde sont toujours perpendiculaires aux rayons.

Voyons maintenant comment les rayons lumineux provenant d’une source ponctuelle peuvent être utilisés pour représenter la propagation de la lumière dans l’espace.

1. Sur la figure ci-dessous, tracer 5 rayons lumineux partant du filament de la source et passant par les points 1 à 5.

Question :  Décrire ces rayons en quelques mots. Comment sont-ils représentés au fur et à mesure que la distance à la source augmente ?

Maintenant observez la lumière provenant d’un laser à travers la salle. Il peut être utile d’envoyer, sur le chemin du laser, un peu de poussière de craie provenant d’un chiffon pour tableau.

Question : Pouvez-vous voir clairement le faisceau laser sans la poussière de craie dans l’air ? Pourquoi la poussière de craie rend-elle le faisceau laser plus visible ? Etes-vous effectivement entrain d’observer la lumière provenant directement du laser, ou bien observez-vous un autre phénomène ?

Question : Vous attendez vous à trouver des rayons lumineux passant par les points 1, 2 et 3 ? En quoi les rayons lumineux que vous avez dessinés sont-ils différents de ceux dessinés dans le cas de la source ponctuelle en (1) ?

Commentaire : Les rayons lumineux provenant d’une source ponctuelle s’étendent radialement à partir de la source. Ces rayons sont appelés rayons divergents et la lumière est dite composée d’ondes sphériques divergentes (les fronts d’onde sont des surfaces sphériques). Les rayons provenant d’un laser sont essentiellement parallèles - ils divergent difficilement. Ils sont appelés rayons parallèles et la lumière est dite composée d’ondes planes (les fronts d’onde sont des plans). Y’a-t-il d’autres situations où la lumière provenant d’une source peut être représentée par des rayons parallèles - ou presque parallèles ?

II-3- Vitesse de propagation

La lumière se propage dans certains milieux transparents de façon presque instantanée
Dans le vide, la mesure de la vitesse de la lumière faite par Roener en 1676 a donné c = 3.10 8 m/s
Dans un milieu transparent, la vitesse v de la lumière dépend de l’indice de ce milieu

II-4- Indice de réfraction

La théorie ondulatoire de la lumière permet de montrer que l’indice absolu n d’un milieu est tel que : n = c/v
L’indice relatif n2/1 d’un milieu 2 par rapport à un milieu 1 est le rapport
n2/1 = v1/v2

Exemples :

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