BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR

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1 DOSSIER 12: OPTIQUE 1 F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 1/8

2 Optique (Première partie) I. SOURCES ET RECEPTEURS DE LUMIERE. L'optique est l'étude des phénomènes qui impressionnent la vue. La lumière qui pénètre dans l'œil provient des objets lumineux. Mais il y a deux sortes d'objets lumineux : - Ceux qui émettent la lumière qu'ils produisent, ce sont les sources de lumière (filament, flamme, soleil, étoiles, etc..). - Ceux qui renvoient la lumière qu'ils reçoivent, ce sont les corps éclairés (lune). On dit qu'ils diffusent la lumière. La lumière émise va alors se propager en ligne droite et tomber sur un objet. Si cet objet réagit à la lumière, on dit que c'est un récepteur de lumière (œil, film, peau, cellule photoélectrique). II. NATURE DE LA LUMIERE La lumière possède une double nature : a) Nature ondulatoire : C est une onde électromagnétique qui se propage à la vitesse c=300000km/s dans le vide La lumière correspond à un domaine restreint des ondes électromagnétiques, le domaine visible s étend du violet ( =400n.m) au rouge ( =750n.m) =c/f Calculer les fréquences correspondantes : f R = f v = b) Nature corpusculaire : L énergie est transportée par des PHOTONS Masse : nulle vitesse de déplacement : c= m.s -1 Energie transportée : E=h.f Avec h=6, J.s (constante de Planck) Calculer l énergie d un photon de fréquence f R et f v. E R = E v = III. SPECTRES. a) Spectre continu. Spectroscope à prisme : Décomposition de la lumière banche. Allure du spectre : Rouge Orange Jaune Vert Bleu Indigo Violet Violet Indigo Bleu Vert Jaune Orange Rouge Lorsqu un faisceau de lumière blanche traverse un prisme, il est décomposé et on obtient sur l écran un spectre continu, composé de toutes les couleurs du rouge au violet. (arc-en-ciel). Le rouge est moins dévié que le violet. L indice de réfraction dépend de la longueur d onde de la radiation. La lumière blanche est constituée de toutes les radiations électromagnétiques visibles. F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 2/8

3 Chaque radiation est caractérisée par sa fréquence f ( en Hertz ) ou par sa longueur d onde ( en m ) Fréquence x Hz Retrouver la valeur de c : Rayonnements invisibles ,2 5,7 6,4 6,8 7,5 Couleur rouge orangé jaune vert bleu indigo violet Longueur d onde dans le vide (nm) Certains rayonnements existent mais ne peuvent pas être perçus par l œil, ce sont: Les infrarouges: > 750nm, le soleil nous réchauffe à distance, cet effet de chaleur est dû à l infrarouge, des caméras infrarouges permettent de détecter des pannes à distance par exemple sur les pylônes E.D.F. Les ultraviolets: < 400nm, le soleil nous fait bronzer à distance, ils sont utiles pour la stérilisation et la révélation des plaques imprimées. un rayon de lumière blanche est composé de la superposition de plusieurs rayonnements de fréquences différentes. On dit que la lumière est poly chromatique. En revanche, un rayon de fréquence unique est dit monochromatique. Sa couleur est caractéristique de sa fréquence et de sa longueur Spectromètre à réseau : On peut obtenir le spectre en utilisant un réseau de diffraction (surfaces sur lesquelles sont gravés des traits parallèles (environ 500 par millimètre)) Spectres d émission successifs d un corps porté à des températures Spectre continu d émission d une lampe à incandescence : croissantes. On assiste à la naissance progressive des couleurs : rouge, jaune, vert, bleu, violet ; parallèlement, l intensité lumineuse du spectre augmente. Spectre discontinu Spectres d émission : Hydrogène Sodium Hélium Le spectre d un gaz à haute température et à basse pression présente des raies ; le gaz émet un rayonnement uniquement pour certaines fréquences bien spécifiques, caractéristiques des atomes émetteurs. F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 3/8

4 IV. COULEUR DES OBJETS OPAQUES. Prenons une tomate nous savons qu a la lumière du jour la tomate est rouge, éclairons là avec une lampe à vapeur de sodium, elle paraît noire. La couleur d un objet dépend de cet objet et de la source de lumière qui l éclaire, les objets sont caractérisés par leur facteur de réflexion R : R=flux lumineux réfléchi par l objet / flux lumineux incident provenant de la source. Pour la tomate la variation de R en fonction de la longueur d onde a à peu près cette allure : R en % Les objets colorés réfléchissent les radiations lumineuses qui correspondent à leur couleur. De même un corps blanc lorsqu il est éclairé à la lumière du jour paraîtra bleu sous une lumière bleu, rouge sous une rouge etc un corps noir paraît noir quel que soit la lumière qui l éclaire. Le corps blanc diffuse dans toutes les directions et sans absorber aucune des radiations qu il reçoit Le corps noir absorbe toutes les radiations qu il reçoit. Le corps gris est un objet pour lequel R ne varie pas avec la longueur d onde. Un objet qui n est ni noir ni gris ni blanc est dit coloré. V. Couleurs des objets transparents. Lumière blanche verre(filtre) écran blanc En plaçant un verre coloré devant la source de lumière, l écran devient de la même couleur que celle du verre. Un verre coloré absorbe toutes les couleurs sauf sa couleur qui est transmise. Un verre transparent est dit incolore lorsqu il transmet de la même façon les radiations qu il reçoit D une manière générale, la couleur des objets transparents dépend de la couleur qu ils transmettent. On définit un coefficient de transmission. T : T=flux lumineux transmis / flux lumineux incident. F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 4/8

5 VI. SYNTHESE ADDITIVE DES COULEURS. Le physicien Young montra que l on pouvait obtenir de la lumière blanche en faisant converger trois couleurs On peut choisir trois couleurs telles qu aucune de ces couleurs ne puisse être obtenue par addition des autres. Ces trois couleurs sont dites primaires. A l aide de ces trois couleurs on peut reproduire toutes les couleurs du spectre. C est le principe de reproduction par trichromie. On choisira par exemple le rouge le vert et le bleu (R,V,B). En anglais(r,g,b) Jaune Vert Couleurs secondaires Cyan (bleu turquoise) Blanc Bleu Couleurs primaires Rouge Magenta (rose, violet) Deux couleurs sont dites complémentaires si l addition d une primaire et d une secondaire donne la lumière blanche. Exemple : rouge plus cyan (vert + bleu) donne du blanc. La télévision couleur utilise la synthèse additive. Exemple: F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 5/8

6 VII. SYNTHESE SOUSTRACTIVE. En utilisant seulement trois colorants sur une feuille de papier blanc, il est possible de reproduire la presque totalité des autres couleurs. Le mélange deux par deux des primaires donnera une couleur plus foncée qui est la complémentaire de la troisième. La synthèse soustractive est très souvent associée aux primaires CMJ (Cyan, Magenta, Jaune). Le mélange des trois primaires donnera la couleur la plus foncée du système qui dans l'idéal devrait s'approcher du noir. Pour pallier l'inconvénient d'un noir non parfait, les industries graphiques s'appuient sur une quatrième couleur pour compléter ou remplacer le noir trichromatique. Ce système basé sur les mélanges CMJ renforcés par la couleur noir s'appelle la quadrichromie (CMJN). c'est également un espace colorimétrique basé sur la synthèse soustractive La synthèse soustractive concerne tous les mélanges de couleurs exploitant l'éclairement d'un support comme la peinture artistique, la teinture, les encres d'imprimerie ou d'imprimantes, mais aussi la superposition de filtres colorés sur une table lumineuse, la projection d'une diapositive sur un écran, certains procédés de tirages photographiques, etc. Il n'est pas toujours évident de définir si un procédé de production des couleurs fait appel à la synthèse additive ou à la synthèse soustractive. Pour en connaître le principe, il suffit d'observer si un mélange de couleur donne une nouvelle couleur plus claire ou plus foncée que celles qui l'ont généré. En résumé : Un filtre / Un objet laisse passer le / réfléchit le Arrête le / absorbe le Rouge Rouge Vert et bleu Bleu Bleu Rouge et vert Vert Vert Rouge et bleu Magenta Rouge et bleu Vert Cyan Bleu et vert Rouge Jaune Vert et rouge Bleu En intercalant deux filtres par exemple un filtre magenta et un filtre cyan donnent une tache bleue à l écran. Magenta (rose, violet) Bleu Rouge Cyan (bleu turquoise) Jaune Exemple: synthèse soustractive Vert En synthèse soustractive les trois couleurs primaires sont magenta, cyan et jaune. Un objet apparaît jaune quand il est éclairé en lumière blanche. Quelle couleur prendra-t-il si on l'observe en lumière monochromatique: jaune, bleu puis rouge? F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 6/8

7 VIII. RAYONNEMENT THERMIQUE DU CORPS NOIR : Un corps noir est un corps qui absorbe totalement toute lumière incidente (il ne réfléchit aucune lumière). Un corps noir porté à la température T émet un rayonnement qui obéit à la loi de STEFAN : La répartition spectrale obtenue est continue et indépendante de la nature du corps émissif. Loi de Stefan : M=.T 4 avec =5, W.m -2. K -4 M en W/m² T en K (ou P=S..T 4 avec M=P/S avec P=puissance rayonnée en W) Remarque pour un corps gris : M=..T 4 avec 0,3< <0,9 Cette relation donne l éxitance énergétique du corps noir, c est à dire la puissance totale émise par le corps noir par unité de surface. Plus la température de la source est élevée, plus l émission totale est forte et plus le spectre se «déplace» vers le bleu (faibles longueurs d onde). On définit alors ce qu on appelle la température de couleur d une source : La température de couleur correspond à la température à la quelle il faut porter le corps noir pour émettre un rayonnement de même chromaticité (même composition spectrale) que la source. EXEMPLES : SOLEIL : La lumière du jour est constituée par la lumière solaire directe et par celle diffusée par l atmosphère : Température de couleur : T = 5800 K Loi de Wien : m =A/T avec A = 2, m.k Cette loi donne la longueur d onde pour laquelle le rayonnement du corps noir est le plus intense à une température donnée. Les lampes à incandescences obéissent à ces lois Lampes à INCANDESCENCE: le SPECTRE EST CONTINU. Lampes à INCANDESCENCE à filament en tungstène Le filament est en tungstène La température de couleur Tc = 2850 K environ L atmosphère à l intérieur de l ampoule est inerte : krypton ou xénon Lampes à HALOGENES : l halogène présent dans cette lampe à incandescence a pour rôle de : Reconstituer le filament : la durée de vie est ainsi augmentée Déplacer le spectre vers le bleu : on peut augmenter la température du filament ce qui donnera une lumière plus blanche (de meilleure qualité) Température de couleur Tc = 3200 K environ F.Duhamel B.T.S S.C.B.H. Page N 7/8

8 EXEMPLE LOI DE WIEN : -Loi de Wien : rayonnement du corps noir en fonction de la longueur d onde. F.DUHAMEL Page n 8/8