PROGRAMME DE COLLES DE PHYSIQUE Semaine 4 du 10 au 14 Octobre 2016

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1 PROGRAMME DE COLLES DE PHYSIQUE Semaine 4 du 10 au 14 Octobre 2016 Cours S4 : Propagation de l'onde lumineuse (EXERCICES) I. La lumière : une onde électromagnétique Modèle ondulatoire de la lumière : la lumière est modélisée par une OPS composée d'un champ électrique et d'un champ magnétique qui se propage à la célérité c = m.s -1 Double Périodicité l'onde électromagnétique : on retrouve la relation λ 0 =c T Spectre des ondes lumineuses : on montre que les phénomènes optiques sont beaucoup plus rapides que les phénomènes associés à des ondes mécaniques. II. Sources de lumière (cf TP) Lampe spectrale : constitution et principe d'émission de la lumière LASER : constitution et principe d'émission de la lumière, propriétés du faisceau LASER Lampe à incandescence Modèle de la source ponctuelle monochromatique III. Propagation de la lumière dans un MHTI Indice d'un MHTI : un MHTI est caractérisé par son indice de réfraction tel que : n= c v Cas des milieux dispersifs (dispersion de la lumière blanche par le prisme, formation des arc en ciel ) Longueurs d'onde : dans un MHTI d'indice de réfraction n, on a : λ= λ 0 n IV. Lois fondamentales de l'optique géométrique Hypothèse fondamentale de l'optique géométrique : dans un MHTI, la lumière se propage en ligne droite. Approximation de l'optique géométrique : on montre que l'optique géométrique est l'approximation des faibles longueurs d'onde. Modélisation du rayon lumineux : en lien avec le phénomène de diffraction. On admet 3 principes : indépendance, retour inverse et de moindre temps. Que se passe-t-il à l'interface entre deux milieux? Un schéma clair fait apparaître les RL incident, réfléchi et réfracté. Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : énoncé Lois de Snell-Descartes pour la réfraction : énoncé et cas limites : i) Cas d'une incidence normale ii) Cas où le RL se propage vers un MHTI plus réfringent : le RL réfracté se rapproche de la normale et on exprime l'angle de réfraction limite

2 iii) Cas où le RL se propage vers un MHTI moins réfringent : le RL réfracté s'écarte de la normale et on met en évidence le phénomène de réflexion totale. Interprétation de la loi de la réfraction à l'aide d'un modèle ondulatoire : en considérant des plans d'onde, on retrouve l'invariant de propagation n 1 sini 1 =n 2 sin i 2 V. Limite de l'optique géométrique : Diffraction de l'onde lumineuse Mise en évidence expérimentale : Effet de la largeur de la fente diffractante : la loi sinθ= λ a est admise. Effet de la diffraction sur la propagation d'un faisceau laser : Un faisceau laser n'est jamais rigoureusement parallèle, il subit une auto-diffraction au niveau de l'ouverture du boîtier laser. Estimation de l'angle de divergence. Effet de la diffraction sur la focalisation d'un faisceau laser : On ne peut pas focaliser le faisceau laser en un point, il apparaît une dimension transversale minimale du faisceau appelée WAIST w 0. On détermine l'expression du WAIST en fonction notamment de l'ouverture d et la focale f de l'objectif de microscope. Dans le cas des faibles angles : w 0 = 2 λ f d Cours S5 : Formation des images en optique géométrique (COURS) I. Étude d'un 1er système optique : le miroir plan Définition : il s'agit d'un objet plan recouvert d'une couche métallique parfaitement réfléchissante Observations expérimentales : notion d'image conjuguée Stigmatisme rigoureux du miroir plan : l'image conjuguée d'un point par un miroir plan est un point. Notion de point image réel/virtuel et notion de point objet réel/virtuel Relation de conjugaison du miroir plan Constructions géométriques de l'image d'un objet étendu : un objet étendu est modélisé comme une collection de points objets sources de lumière II. Formation d'une image Notion de système centré : un tel système possède un axe de symétrie de révolution appelé axe optique (Δ) orienté dans le sens de propagation de la lumière Aplanétisme d'un système optique : un tel système donne d'un objet plan perpendiculaire à l'axe optique une image plane perpendiculaire à l'axe optique. Grandissement d'un système optique et interprétation

3 III. Étude des lentilles minces dans l'approximation de Gauss Qu'est-ce qu'une lentille mince? une lentille mince est modélisée par un plan de centre O perpendiculaire à l'axe optique tel que tout rayon passant par son centre n'est pas dévié. Cas des lentilles minces divergentes et convergentes. Stigmatisme approché d'une lentille : observations expérimentales et modélisation Les lentilles ne sont pas rigoureusement stigmatiques : l'image d'un point est une tache. On énonce alors les conditions de Gauss : Les rayons lumineux atteignant les dioptres du système optique sont : proches de l'axe optique (Δ) faiblement inclinés par rapport à l'axe optique (Δ) Dans les conditions de Gauss, les lentilles sont approximativement stigmatiques et aplanétiques. Foyers principaux : définition des foyers principaux objet F et image F' Foyers secondaires et plans focaux : définition des foyers secondaires objet et image ainsi que des plans focaux objet et image. Construction d'une image par une lentille mince : on utilise pour cela 3 rayons particuliers : Le rayon passant par le centre optique O de la lentille n'est pas dévié. Le rayon passant par le foyer principal objet F de la lentille ressort parallèlement à l'axe optique. Le rayon incident parallèle à l'axe optique de la lentille ressort par le foyer principal image F'. Tracé des rayons lumineux dans le cas des lentilles convergentes et divergentes. Vergence et distance focale : cas d'une lentille mince CV et DV. Relations de conjugaison de Descartes et de Newton : à connaître et à savoir utiliser. IV. Présentation rudimentaire de l'œil Description et modélisation de l'œil : modèle de l œil réduit (diaphragme, lentille CV, écran) : on modélise l œil par une lentille mince CV de vergence variable formant une image sur un écran fixe. Caractéristiques optiques : on introduit la limite de résolution angulaire α = 3, rad ainsi que la plage d'accommodation d'un œil emmétrope. Défauts de l'œil et correction : cas de la myopie et de l'hypermétropie.

4 Capacités exigibles Cours S4 : Propagation de l'onde lumineuse Savoir définir l indice optique d un MHTI, lien entre la longueur d onde dans le vide et dans un MHTI d indice n. Savoir définir le modèle de l optique géométrique et indiquer ses limites. Savoir utiliser le modèle du rayon lumineux. Savoir définir et utiliser les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction. Savoir interpréter la loi de la réfraction à l aide du modèle ondulatoire. Savoir établir et utiliser la condition de réflexion totale. Proposer un montage mettant en évidence le phénomène de diffraction. Savoir utiliser la relation sinθ= λ a. Savoir caractériser l'effet de la diffraction sur la propagation d'un faisceau laser. Savoir caractériser l'effet de la diffraction sur la focalisation d'un faisceau laser. Cours S5 : Formation des images en optique géométrique Savoir construire l image d un objet par un miroir plan, identifier sa nature réelle ou virtuelle. Connaître les définitions et les propriétés du centre optique, des foyers principaux et secondaires, de la distance focale et de la vergence. Lentille CV ou DV : construire l image d un objet situé à distance finie ou infinie à l aide de rayons lumineux. Connaître et savoir utiliser les relations de conjugaison. Savoir modéliser l'œil comme l'association d'une lentille de vergence variable et d'un capteur fixe. Connaître la limite de résolution angulaire et plage d'accommodation d'un œil emmétrope

5 FICHE D'ÉVALUATION KHÔLLE PCSI Semaine 4 NOM : PRÉNOM : NOTE : Question de cours : Exercice(s) : Compétences transversales A B C D Commentaires S'approprier et analyser le problème Savoir réinvestir les résultats de cours dans de nouvelles situations Savoir faire preuve d'initiatives et de réactivité face aux indications fournies par l'examinateur Savoir présenter son travail : tableau organisé et soigné, communication claire et convaincante Compétences disciplinaires A B C D Commentaires Savoir utiliser les lois de Descartes Savoir établir et utiliser la condition de réflexion totale S4 : Propagation de l'onde lumineuse Savoir utiliser la relation sinθ= λ a Savoir caractériser l'effet de la diffraction sur la propagation / focalisation d'un faisceau laser S5 : Formation des images en optique géométrique Maîtriser le vocabulaire de l'optique géométrique Savoir tracer l'image d'un objet donné par une lentille CV ou DV Connaître et savoir utiliser les relations de conjugaison sur des cas simples Savoir modéliser l'œil et connaître ses principales caractéristiques (limite résolution angulaire, plage d'accommodation) A : acquis / B : en cours d'acquisition / C : insuffisant / D : non acquis / N : non évalué