Enseignement secondaire Physique : Optique. Dans une piscine, un farceur veut éclabousser son copain. Comment s'y prend-il?

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1 Enseignement secondaire Propagation de la lumière Physique : Optique Dans une piscine, un farceur veut éclabousser son copain. Comment s'y prend-il? Pr. Iacobellis 1

2 Explique ce qu'est une onde. Une onde est un phénomène de propagation ordonnée d'énergie, sans transport de matière. Le terme "ordonné" employé ici permet de distinguer les phénomènes propagatifs de type onde, des phénomènes de diffusion de la chaleur, où une énergie est également transmise sans transport de matière, mais par des mouvements désordonnés des molécules. Une onde se propage à partir de la source (le farceur) dans toutes les directions qui lui sont offertes (la piscine). La perturbation se transmet de proche en proche avec transfert d'énergie (le canard oscille) mais sans transport de matière (le canard n'avance pas). La vitesse de propagation d'une onde est une propriété du milieu dans lequel elle se propage. Dans un bain de mercure (si on aime ça!) les vagues n'iraient pas à la même vitesse. Il existe bien d'autres exemples d'ondes : La propagation d'une perturbation le long d'une corde tendue. Si on donne un coup sur un bout de la corde, on constate que cette perturbation se propage jusqu'à l'autre bout de la corde. On peut noter aussi que plus celle-ci est tendue, plus l'onde se propage rapidement. On retrouve le fait que la vitesse de propagation est une caractéristique du milieu. Plus classique, la houle est également une onde. Le son est une onde acoustique se propageant dans l'air (à température ambiante et à pression atmosphérique), ou dans les autres milieux (eau, solides...). À noter que toutes les ondes précédemment mentionnées nécessitent un support pour se propager. L'espace étant vide, le son ne peut s'y propager. Les bruits d'explosions dans Star Wars ne sont donc que pure fiction. Pr. Iacobellis 2

3 À l'inverse des ondes citées jusqu'à présent, l'onde électromagnétique n'a pas besoin de support pour se propager. Elle peut se déplacer dans le vide. C'est d'ailleurs comme ça qu'on peut voir les étoiles. Cela a dérouté les physiciens pendant de nombreuses années, et ils avaient introduit un support, de nature inconnue, appelé éther pour expliquer la propagation des ondes lumineuses. C'était un fluide qui emplissait tout l'espace. Or, comme la Terre se déplaçait dedans, il devait exister des vents d'éther, se traduisant par une vitesse de propagation de la lumière différente selon la direction d'où elle venait. Deux physiciens, Michelson et Morlay, ont alors mis au point un instrument très précis, un interféromètre, pour mesurer la vitesse de la lumière dans plusieurs directions. Ils n'ont jamais trouvé de différence. Michelson a alors considéré son expérience comme un échec, remettant en cause sa précision. L'explication était tout autre. L'éther n'existait pas, et la vitesse de la lumière constante, qu'elle que soit la direction. Le principe de relativité restreinte était né sous la plume d'einstein. Pr. Iacobellis 3

4 2. Lois de la réflexion et de la réfraction Pr. Iacobellis 4

5 Pr. Iacobellis 5

6 Compare la réflexion et la réfraction. A présent, explique le fonctionnement de la fibre optique (recherche à la maison) : Pr. Iacobellis 6

7 3. Lentilles minces convergentes Prenons un verre de lunette. Il n'est pas plan. Sa surface est courbe. Les objets à travers y paraissent déformés. Idem avec une loupe. Ce qu'on y voit à travers nous apparaît tantôt plus gros, tantôt flou, ou parfois même plus petit et renversé. Les rétroviseurs extérieurs d'une voiture comportent en général une partie courbe sur leur extrémité. La voiture qui nous suit y apparaît plus éloignée que dans le rétroviseur intérieur. Tous ces objets du quotidien, ainsi que d'autres instruments comme les appareils photos, les télescopes ou les microscopes, sont en fait constitués de lentilles (des dioptres dont la surface est courbe) ou des miroirs aux formes sphériques, paraboliques ou même hyperboliques. Qu'est-ce qu'une lentille? Qu'est-ce qu'on appelle une lentille? Par lentille, j'entends bien sûr une lentille en optique, et non l'une des espèces de fabacées. Prenons en deux exemples. Dans une main, une loupe, dans l'autre, une paire de lunettes pour myope. Elles sont toutes les deux en verre, transparentes, et délimitées par au moins une surface courbe, parfois deux. Pr. Iacobellis 7

8 La première conséquence, illustrée ci-dessous, est que tout rayon lumineux passant par le centre d'une lentille, ne sera pas dévié. En effet, c'est comme s'il traversait une lame de verre d'épaisseur nulle. Pr. Iacobellis 8

9 Compare la lentille divergente et convergente. Pr. Iacobellis 9

10 4. Système centre focal Pour notre étude des lentilles minces, le point O peut être considéré comme se trouvant au centre de la lentille. Des rayons arrivant parallèlement à l axe optique convergent en un point de l axe optique : le foyer image, noté F. La distance OF entre le centre optique O et le foyer image F est appelée distance focale. C est une caractéristique de la lentille. Des rayons lumineux passant par un point F, symétrique de F par rapport à O, émergent parallèlement à l axe optique. Ce point F est appelé foyer objet. Les rayons passant par le centre optique émergent de la lentille parallèlement à la direction d incidence. Si la lentille est mince, on peut considérer qu ils ne sont pas déviés. Pr. Iacobellis 10

11 5. Constructions géométriques des images Donne des exemples... Objets réels : Objets virtuels : Image réelle : Image virtuelle : Pr. Iacobellis 11

12 Quelles sont tes conclusions? Pr. Iacobellis 12

13 6. Instruments d optique Dans cette partie, nous présenterons les instruments utilisés dans le cadre de l'optique, naturels et artificiels. Pr. Iacobellis 13

14 A partir d'un document annexe donné par le professeur, explique le fonctionnement de l'oeil. Pr. Iacobellis 14