LUMIERE, OPTIQUE ET IMAGES Série B J.M. Huré

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1 Licence Sciences et Technologies MISMI (Mathématiques, Informatique, Sciences de la Matière et de l Ingénieur) UE Physique et Ingénieries LUMIERE, OPTIQUE ET IMAGES Série B J.M. Huré 1

2 Série B Cours 10 séances groupes B1 à B5 : J.M. Huré Travaux Dirigés 9 séances semaines 40 à 43 incluse, et semaines 45 à 49 incluse B1 et B5 : Y. Matea B2 : P. Gravereau B4 : Y. Louyer Travaux Pratiques 3 séances 1 Panorama de l Optique (réflexion, réfraction, diffraction, interférences, polarisation) 2 Analyse spectrale et dispersion (sources lumineuses, prisme et arc en ciel) 3 Systèmes imageurs (focométrie, microscope, œil) Devoirs Surveillés 2 semaine 44 (DS1) et semaine 49 (DS2) 2

3 COURS Partie 1 Qu est ce que la lumière? Les différents modèles et leurs limites. Partie 2 Les lois fondamentales de l optique géométrique. Les systèmes imageurs simples. Partie 3 La percéption des images. Les systèmes imageurs complexes. a) L œil et la vision b) L observation des petits objets (microscopie classique et moderne) c) L observation des objets lointains (lunettes et télescopes) 3

4 Partie 1 Qu est ce que la lumière? Les différents modèles et leurs limites 4

5 Qu est ce que la lumière? on ne connaît pas exactement la nature de la lumière Les scientifiques donnent aujourd hui 2 réponses (apparemment contradictoires) : c est une onde (électromagnétique; λ,ν) c est une assemblée de particules appelées photons (N) Laquelle est correcte? aucune en particulier, les deux en général! Un modèle dit dual onde/corpuscule permet une description satisfaisante de la lumière et de ses manifestations. Au cours de l histoire, différents modèles se sont succédés et opposés, avec leurs succès et leurs limites. Quels sont ils? 5

6 De l Antiquité au Moyen Âge Période pré scientifique: pas d expériences pour comprendre comment les phénomènes se produisent... on ne s intéresse qu au pourquoi des choses (démarche philosophique) Les Grecs s intèressent à la vision : feu ou simulacres? a) pour beaucoup (Euclide, les Pythagoriciens, Ve av.jc ), les objets sont vu parce que touchés le feu intérieur (quid) émanant de la personne Difficulté: on devrait voir la nuit (Aristote) 6

7 b) pour d autres (Lucrèce, 60 av. JC), émane des objets une enveloppe (eidola) Après les Grecs, la science se tourne vers les applications militaires. Galien (+IIe): dissections/structure de l oeil ( nerf optique) Après la chute de Rome (476), la science va pratiquement s éteindre pendant 1000 ans en Occident (guerres, invasions, autorité de l Eglise, etc.) Par contre, le monde arabe est actif... 7

8 Alhazen (~ ) : point de vue précis et moderne la lumière est matérielle la lumière se propage avec une très grande vitesse selon des rayons qui vont de l objet à l œil la modification de la vitesse par un obstacle cause la réfraction le choc avec un obstacle crée la réflexion 8

9 La Renaissance (XVIe siècle) Naissance de l optique géométrique révolutions littéraires, artistiques et scientifiques Théorie héliocentrique de N. Copernic Galilée (~1600) améliore la lunette astronomique inventée par Lippershey Mathématiques et expériences au service de la Science multiplication des instruments de mesure 9

10 Enfin, des lois W. Snell ( ) énoncé des lois sur la réflexion et la réfraction de la lumière reprises (?) par R. Descartes Normale W. Snell i i Normale MIROIR n Angle de réflexion et angle d incidence égaux R. Descartes réfraction n sini = n sini i n i n : indice de réfraction 10

11 un principe, P. de Fermat ( ) énoncé (~1657) d un principe : Pour aller d un point à un autre, la lumière suit le chemin qui correspond au temps de parcours minimal le chemin AOB est le plus rapide Conséquences dans un milieu homogène, la trajectoire de la lumière est une droite! amélioration des instruments d optique 11

12 et une vitesse! O. Römer ( ) 1676 Première mesure précise de la vitesse de la lumière Méthode : délai d apparition des éclipses des satellites de Jupiter valeur obtenue : ~ km/s vitesse considérable mais finie NB valeur actuelle c km/s 12

13 Moitié XVIe, où en sommes nous? 1. la lumière est représentée par des rayons : optique géométrique trajectoire 2. réflexion et réfraction: lois (empiriques) de Snell et principe de Fermat. 3. l optique (géom.) décrit correctement les instruments d optique courants. 4. propagation à vitesse finie 13

14 Les débuts de la théorie ondulatoire 1655 F. Grimaldi découvre un nouveau phénomène : la diffraction d D Diffraction par un trou circulaire : anneaux brillants au delà de la tache centrale D? d 14

15 Les débuts de la théorie ondulatoire 1655 F. Grimaldi découvre un nouveau phénomène : la diffraction d D Diffraction par une fente rectiligne : tâches brillantes au delà de la tache centrale D dmin d 15

16 C. Huygens ( ) 1678 tentative d expliquer la diffraction par des ondes Principe de Huygens : chaque point de l espace se comporte comme une source ponctuelle et émet des ondes circulaires/sphériques Longueur d onde λ λ 16

17 C. Huygens ( ) Il démontre ainsi : les lois de la réflexion et de la réfraction de Descartes ( optique géométrique) Snell la relation attendue entre vitesse de propagation v et indice de réfraction n (~densité) du milieu traversé : vxn=k où K est une (?) constante Il explique aussi la diffraction à l échelle microscopique : λ dmin 17

18 La théorie corpusculaire de Newton I. Newton ( ) expérimente la dispersion des couleurs par un prisme la lumière solaire (blanche) est composée de 7 couleurs élémentaires. et soutien l hypothèse des corpuscules Spectre de la lumière visible 18

19 I. Newton étudie également les couleurs des bulles de savon et des lames minces grande qualité des observations (échelle des teintes de Newton) origine? Explication :??? implique l épaisseur e des films 19

20 And the winner is C. Huygens lumière = onde explique: réfraction, réflexion, diffraction vxn=k I. Newton lumière = matière Mcorpuscule couleur Il existe des forces réfringentes v = Kxn Comment trancher? mesurer la vitesse de la lumière dans 2 milieux différents 20

21 I. Newton ( ) Loi de la gravitation universelle : F= Gmm d2 Univers hierarchique (géocentrisme) physique matérialiste physique déterministe (comète de Halley, etc.) Calcul différentiel (Leibniz) Instrumentation (télescope de Newton) Théorie des couleurs (bulles, films, anneaux de Newton) très grande notoriété 21

22 Le triomphe de la théorie ondulatoire 1804 T. Young ( ) : les couleurs des bulles et des lames minces s expliquent en termes d interférences entre ondes lumineuses Interferences : + = { Expérience des trous de Young 22

23 Le triomphe de la théorie ondulatoire suite A. Fresnel ( ) : calcule exactement le résultat de la superposition de 2 ondes + = { complète le principe de Huygens en y intégrant les interférences ( description parfaite de la diffraction) 1829 La théorie ondulatoire explique tous les phénomènes observés (réflexion, réfraction, diffraction et interférences), ou presque 23

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26 Le triomphe de la théorie ondulatoire suite 1849 H. Fizeau ( ) et L. Foucault ( ) réalisent indépendamment l expérience décisive. Conclusion: la vitesse de la lumière est inversement proportionnelle à l indice de réfraction vxn=k air eau verre n 1 n 1,33 n 1.5 hypothèse de C. Huyguens v km/s v km/s v km/s valeur dans le vide la théorie ondulatoire est unanimement adoptée la lumière est considérée comme une onde dans le vide : c km/s Problème : on ne connaît pas la nature de cette onde! 26

27 La synthèse de l Electromagnétisme 1873 J.C. Maxwell ( ) réalise la synthèse des connaissances sur l électricité et le magnétisme Electromagnétisme. sa théorie implique la propagation d ondes (E,B) à la vitesse de km/s H. Hertz ( ) produit des ondes électromag. (radio) qui se réfléchissent, se réfractent, diffractent, interfèrent et se propagent à km/s dans l air, tout comme la lumière! 1895 : W. Röntgen ( ) découvre rayons X (Prix Nobel 1901) onde électromagnétique 27

28 La lumière : une onde électromagnétique Définition Lumière : ondes électromagnétiques perceptibles à l œil humain 28

29 Le spectre électromagnétique λ=v/ν=vt Spectre électromagnétique 29

30 La naissance du photon 1887 Observation de H. Hertz : une plaque métallique émet des électrons sous l action de lumière (effet photo éléctrique) incompatible avec une nature ondulatoire de la lumière!? 1905 A. Einstein ( ) : la lumière est composée de particules d énergie bien définie et de masse nulle Prix Nobel (1921) 1926 Adoption du photon 30

31 La dualité onde corpuscule Selon les cas (expériences), la lumière paraît se comporter : tantôt comme une onde (continue), tantôt comme une assemblée de corpuscules (discrets). on parle aujourd hui d un modèle dual onde corpuscule Théoriquement la nature duale de la lumière apparaît dans la formule d Einstein E=hν E : énergie du photon ν : fréquence de l onde h : constante de Planck 31

32 Expérimentalement La nature duale se manifeste dans l expérience récente des trous de Young impacts isolés, aléatoirement répartis apparition des franges d interférences les photons reconstituent la figure d interférences au fur et à mesure de leur arrivée sur l écran!!! 32

33 La matière, source de lumière 1913 N. Bohr ( ) : quantification des niveaux d énergie de l atome >1925 Mécanique quantique énergie E1 état excité d énergie quantifiée E1 émission absorption Mécanisme d émission/absorption E0 photon : E1 E0 = hν état non excité d énergie quantifiée E0 33

34 Spectre discret Spectre continu puissance F(ν) Source lumineuse à vapeur d hydrogène monoatomique Soleil ν visible Couleur fréquence Luminosité intensité Chaque source possède sa propre signature spectrale 34