Généralités sur l’optique

Généralités sur l’optique

Optique géométrique

PCSI

Qu’est ce que l’optique ?


PCSI

Domaine de la physique traitant des propriétés de la lumière visible par l’œil ou pas.

On distingue en général l’optique géométrique (étude des rayons lumineux et la formation des images

par un instrument d’optique) de l’optique physique (nature ondulatoire de la lumière).

Ce que vous savez déjà :


PCSI

Décomposition de la lumière par un prisme; spectres d’émission et d’absorption; notion de rayon lumineux et lois de Descartes pour la réfraction rencontrées en classe de seconde.

Formation d’images par des systèmes optiques (miroir, lentille, lunette) rencontrée en première.

Modèle ondulatoire de la lumière développée en terminale à la suite du travail sur les ondes mécaniques.

Généralités sur l’optique


PCSI

I - Du rayon lumineux à la dualité onde - corpuscule

II - Les sources de lumière

Du rayon lumineux à l’électrodynamique quantique


PCSI

1) Modèle géométrique2) Modèle ondulatoire3) Modèle corpusculaire4) Dualité onde - corpuscule

1) Modèle géométrique

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

EUCLIDE (4e - 3e avant J.-C, Alexandrie, contemporain de Ptolémée I) : notion de rayon lumineux.


PCSI

ALHAZEN physicien arabe (10e - 11e) attribue à la lumière une origine extérieure à l'oeil. Il travaille sur la réfraction de la lumière.

AAM 2008-2009

GALILEE (16ième -17ième) fabrication des premières lunettes. Observations de taches à la surface du Soleil, mise au point d’un microscope.


PCSI

AAM 2008-2009

DESCARTES (17e) modélisation corpusculaire de la lumière (impose une vitesse de la lumière plus grande dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience).


PCSI

AAM 2008-2009

FERMAT (fin 17e) principe de moindre temps. Vitesse de la lumière plus petite dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience).


PCSI

Le trajet parcouru par la lumière entre deux points est toujours celui qui optimise le temps de parcours.

2) Modèle ondulatoire

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

HUYGENS (17e) propose une théorie ondulatoire permettant de retrouver les résultats de l'optique géométrique et compatible avec une vitesse de la lumière plus faible dans les milieux matériels que dans l'air. Il découvre Titan un satellite de Saturne, observe la nébuleuse d’Orion, travaille sur l’isochronisme des oscillations d’un pendule.


PCSI

AAM 2008-2009

YOUNG (début du 19ième) : En 1801, il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles, et le projette sur un écran. La lumière est diffractée au passage des fentes et produit sur l'écran des franges d'interférence, c'est-à-dire une alternance de bandes éclairées et non-éclairées. Young en déduit la nature ondulatoire de la lumière.


PCSIAnimation sur les fentes de Young

http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/interference/lumiere/interference.htm

AAM 2008-2009

FRESNEL (début du 19ième) : En 1815, Fresnel, pose les bases de la théorie ondulatoire. Réalisation d’expériences sur la diffraction de la lumière.


PCSI

Animations sur la diffraction d’ondes mécaniques et de la lumière

http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html

http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html

AAM 2008-2009

MAXWELL (deuxième partie du 19ième) la lumière est une onde électromagnétique se propageant à une vitessec = 3.108 m.s-1 dans le vide (en fait il mesure expérimentalement 3,1.108 m.s-1) . Il travaille sur la perception des couleurs (daltonisme), la théorie cinétique des gaz et l’électromagnétisme (équations de Maxwell).


PCSI

Dans son article de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field Maxwell écrit :« L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. »

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la

lumière


PCSI

• Vitesse de propagation dans le vide :c = 299 792 458 m.s-1

c est d’environ 3.108 m.s-1.

• La lumière peut se propager même en l’absence de milieu matériel, c’est-à-dire même dans le vide (contrairement aux sons ou aux vagues de la mer).


lumière


PCSI

• La lumière étant une onde, on définit :- sa période temporelle T (en s),

- sa fréquence f = 1 / T (en s-1 ou Hz)- sa longueur d’onde spatiale λ (en m)

λ = c.T = c/f


lumière


PCSI


lumière


PCSI

Dans un milieu matériel :• La lumière se propage à une vitesse v plus faible

que dans le vide. Si v désigne la vitesse de la lumière dans le milieu, on définit l’indice de réfraction n du milieu par : n = c/v

• L’air a un indice de réfraction de l’ordre de 1,000293 (à 1 bar et 0°C) qui sera souvent assimilé à 1.


lumière


PCSI

• Indice du verre : de 1,5 à 1,7 (selon la nature du verre)

• Indice de l’eau : de l’ordre de 1,33

• La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la fréquence (c’est-à-dire de la couleur) de la lumière.


lumière


PCSI

La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la longueur d’onde (c’est-à-dire de la couleur) de la lumière. On peut dans certains cas modéliser ce phénomène par la loi de Cauchy :

2(

B

n


lumière


PCSI

A et B dépendent des propriétés microscopiques du milieu.

λrouge > λbleu nbleu > nrouge

Vrouge>vbleu

On voit alors que parfois, dans un milieu matériel, le bleu se propage moins vite que le rouge (contrairement au vide où toutes les couleurs se propagent toujours à la même vitesse). On appelle ce phénomène : dispersion de la lumière.

3) Modèle corpusculaire

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

NEWTON (fin 17ième, début 18ième) : Dans son traité Opticks de 1704, Newton expose sa théorie de la lumière. Il la considère composée de corpuscules très subtils. La matière ordinaire est constituée de plus gros corpuscules.


PCSI

AAM 2008-2009

Les découvertes de l'effet, photoélectrique et. du rayonnement, du corps noir conduisent. PLANCK et. EINSTEIN (20ième) à revenir à un modèle corpusculaire


PCSI

La théorie Corpusculaire Quelques caractéristiques de la

lumière


PCSI

La lumière est une sorte de flux de « grains d’énergie »,appelés photons.Chacun de ces photons :- a une masse nulle- se déplace à une vitesse c = 2,998.108m.s-1 dans le vide- son énergie est E = h f, où h est la constante de

Planck et f la fréquence du photon (fréquence de la « lumière associée »).

Constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s

4) Dualité onde - corpuscule

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

Louis de Broglie (1924) la lumière n’est ni seulement un flux de photons, ni seulement une onde, mais les deux à la fois. C’est la dualité onde-corpuscule,


PCSI

AAM 2008-2009

Expériences des fentes d’Young avec des électrons


PCSI

AAM 2008-2009


PCSI

Cette expérience a pu être réalisée pour la première foisen 2004 par l’équipe de Jean-François Roch

(Laboratoire de photonique quantique de l’ENSCachan)

Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrent

Que se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ?

AAM 2008-2009


PCSI

Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrent

Que se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ?

Les sources de lumière


PCSI

1) Sources à spectre continu2) Sources à spectre de raies ou de bandes3) Cas particulier du LASER

1) Sources à spectre continu

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe du rayonnement du corps noir.

Tout corps porté à l’incandescence et maintenu à une température T constante, émet un rayonnement électromagnétique formant un large spectre continu.


PCSI

AAM 2008-2009

Le spectre de lumière émise a l’allure suivante, où l’on représente l’intensité lumineuse spectrale émise en fonction de la couleur.La loi de Wien (Allemand, 19ième, 20ième) relie la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse émise à la température du corps noir : plus un corps est chaud, plus son maximum d’intensité se trouve vers le bleu et l’UV.


PCSI

T

Ctemax

2) Sources à spectre de raies ou de bandes

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe de l’émission spontanée par des atomes gazeux.

On excite les atomes gazeux de la lampe par des décharges électriques. Le retour dans les états d’énergie inférieure s’effectue spontanément par émission de photons.


PCSI

AAM 2008-2009

Les niveaux d’énergie des atomes étant quantifiés, on obtient une lumière émise formée de raies étroites de lumière.


PCSI

AAM 2008-2009


PCSI

Mercure

Sodium

AAM 2008-2009


PCSI

Hélium

Néon

3) Cas particulier du laser

AAM 2008-20096 avril 2011


PCSI

AAM 2008-2009

(Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation)C’est une source de lumière monochromatique.Le faisceau lumineux est très fin et directif.Le laser le plus utilisé en TP est le laser Hélium-Néon, de couleurrouge (632,8 nm)


PCSI

Sources


PCSI

Olivier Garnier : http://olivier.granier.free.fr/crbst_3.html

Cours de pcsi de M Decout : http://coursdephysique.decout.org/cours_de_physique_PDF/optique_bases_optique_geometrique.pdf

http://olivier.granier.free.fr/crbst_3.html

http://coursdephysique.decout.org/cours_de_physique_PDF/optique_bases_optique_geometrique.pdf

http://coursdephysique.decout.org/cours_de_physique_PDF/optique_bases_optique_geometrique.pdf

Généralités sur l’optique

Documents

Transcript of Généralités sur l’optique