Chap n o : ptique Première partie La lumière La lumière est une Les ondes électromagnétiques peuvent se propager, contrairement aux ondes mécaniques qui nécessitent la présence d un Dans un milieu la lumière émise par une source se propage 1 Caractéristiques d une onde électromagnétique 11 Célérité Dans le vide, les ondes électromagnétique se propagent à la célérité c = 12 Période temporelle Définition : Notation/unité : 13 Fréquence Définition : Notation/unité : 14 Longueur d onde (ou période spatiale) Définition : Notation/unité : Relation entre T et λ : 1
2 Etude des ondes électromagnétiques 21 Spectre des ondes électromagnétiques 22 Lumière visible Ce que l on appelle lumière n est en réalité que la partie, par l œil humain des ondes électromagnétiques La lumière émise par le soleil nous apparaît blanche alors qu elle est en réalité composée d une d ondes lumineuses de couleurs dont la superposition nous donne cette impression de blanc Cette constitution de la lumière est mise en évidence lors de la de la lumière du soleil par des gouttelettes de pluie donnant naissance à un, qui nous montre le de la lumière blanche A chaque couleur correspond une précise de l onde électromagnétique Cette onde de fréquence déterminée est appelée onde Les sources lumineuses émettent en général des lumières constituées d un grand nombre d ondes différentes, le faisceau est alors dit 23 Mesure de la lumière Un faisceau lumineux transporte de A puissance égale, l impression visuelle dépend de En photométrie, on utilise deux grandeurs permettant de tenir compte de cette composition spectrale : caractérisant l impression visuelle (liée à la longueur d onde) d un faisceau Unité : d une surface, correspondant au flux lumineux par unité de surface Unité : 2
Deuxième partie ptique géométrique En optique géométrique, on suppose que l on peut 3 Réflexion et réfraction 31 Présentation Le plan d incidence est défini par 32 Lois de réflexion de Descartes Le rayon réfléchi est tel que : Il appartient ; L angle est égal à l angle : i 1 = 33 Lois de réfraction de Descartes Le rayon réfracté est tel que : Il appartient ; Les angles d incidence et de réfraction vérifient : Indice absolu d un milieu : N = Exemples : Vide : N vide Air : N air Verre : N verre 3
34 Réflexion totale Dans le cas où N 1 > N 2, i 2 i 1 (N 1 est dit que N 2 ) La plus grande valeur que peut prendre i 2 est, auquel correspond Si l angle d incidence dépasse l angle limite, le rayon incident n parle de Application : Fibre optique à saut d indice 4 Etude du miroir plan Un miroir plan est une surface Les rayons lumineux qui se réfléchissent sur le miroir obéissent aux lois I' I S Remarques importantes : Un observateur placé en reç oit les rayons réfléchis IR et I R qui semblent provenir du point situé à l leurs prolongements S est l de S par le miroir S est une image car la lumière ne S est de S par rapport au plan du miroir 4
5 Etude des lentilles 51 Description - C1, C2 : - R1, R2 : - D : Notre étude se limitera au cas des lentilles dites minces : Les rayons traversant la lentilles obéissent 52 Définitions 1 Lentilles convergentes : Symbole Ce sont des lentilles à bords Propriété : Une lentille convergente transforme un faisceau en un faisceau 2 Lentilles divergentes : Symbole Ce sont des lentilles à bords Propriété : Une lentille divergente transforme un faisceau en un faisceau 5
3 Conditions de Gauss : Pour obtenir une image de bonne qualité avec une lentille, des conditions doivent être respectées : Les rayons lumineux doivent être ; Les rayons lumineux rencontrent la lentille au Nous supposerons 4 Centre optique : Un rayon passant par le centre optique 5 Foyer objet : Tout rayon incident passant par le foyer objet F d une lentille émerge de celle-ci à l axe optique Lentille convergente Lentille divergente 6 Foyer image : Tout rayon incident parallèle à l axe optique d une lentille émerge de celle-ci Lentille convergente Lentille divergente 7 bjet/image réel/virtuel : Un objet (une image) est dit réel si les rayons lumineux Un objet (une image) est dit virtuel si les rayons lumineux 8 Position des foyers : En suivant le sens de propagation de la lumière : Foyer objet F Foyer image F Lentille convergente Lentille divergente 9 Distance focale / Vergence : La distance algébrique F est appelée, notée n définit : V = Remarque : Pour une lentille convergente, f, V ; Pour une lentille divergente, f, V ; 6
53 Construction de rayons lumineux/d images Cas de la lentille convergente Cas de la lentille divergente 7
Grandes ondes : Les grandes ondes sont des ondes électromagnétiques de basses fréquences Ces fréquences permettent le transport des sons audibles ndes radio : Very High Frequencies 30 MHz à 300 MHz Bande de fréquence surtout utilisée pour la télévision ainsi que la radio FM Ces fréquences sont une sous-catégorie des ondes radios, qui sont utilisées à tous les jours par des millions de personnes En écoutant la radio, la télévision et même lorsqu elles parlent Ce sont des on- des très importantes dans les télécommunications, pour les radars, les satellites etc Une vie, aujourd hui, sans ces ondes est presque impensable Infra rouge :Les rayons infrarouges sont les rayons invisibles du feu de braise qui chauffe sans éclairer et qu un écran peut arrêter Ils ont été découvert au début du XIXe siècle par l astronome Herschell En déplaant un thermomètre à al- cool sur le spectre solaire, du violet vers le rouge, il a constaté que la température augmente et présente un maximum bien au-delà du rouge, en une partie du plan focal o l oeil ne peut discerner aucun éclairement L in- frarouge s étend du rouge foncé (800 nm) au domaine des micro-ondes Les principales applications de l infrarouge sont : les lasers, la photographie et la détection Lumière visible : Une bonne méthode pour réaliser la lumière de couleur est le laser Par exemple : Le laser à rubis : 06943 um (rouge) Le laser à argon ionisé : 04880 um (bleu) 04965 um (bleu-vert) 05145 um (vert) Le laser à hélium-néon : 06328 um (rouge) et plusieurs autres ndes ultraviolettes : UVC 290nm à 1nm environ Ces UV ne parviennent pas à la surface de la terre Ils sont arrêtés par la couche d ozone stratosphérique C est en 1800 que Herschel découvrit la lumière invisible et donc les ultra violetsla période o les UV sont les plus forts est entre 11h et 13h Des précautions supplémentaires sont donc à prendre si vous êtes exposé au soleil pendant cette période Puisque, l effets des UV (les UVB en particulier) n apparaissent que 10 à 20 ans après l irradiation et pour 10transforment en cancer Ce sont surtout la face et les mains qui sont atteint car ce sont eux qui sont le plus exposées Les rayons X, découverts en 1895 par W Rontgen à Wurzburg (Allemagne), sont des radiations électromagné- tiques qui ocupent un domaine de longueur d onde de 0,003 à 3 nm Ces rayons sont définis par leur mode de production usuel : le bonbardement d un métal par un faisceau d électron et ils sont caractérisés par leur pou- voir de traverser des parois opaques et, plus particulière- ment, de révéler l intérieur du corps humain Les princi- pales applications des rayons X sont : la radiographie, la photographie, la tomographie et les lasers à rayon X Les rayons gamma sont des ondes électroma- gnétiques émises par des noyaux radioactifs et durant certaines réactions nucléaires Très éner- gétiques, ils sont très pénétrants et lorsqu ils sont absorbés par des tissus vivants provoquent de sérieux dommagesc est pourquoi les travailleurs qui risquent d entrer en contact avec ces radia- tions dangereuses doivent être protégés par des matériaux très absorbants, d épaisses couches de plomb par exemple 8
Table des matières I La lumière 1 1 Caractéristiques d une onde électromagnétique 1 11 Célérité 1 12 Période temporelle 1 13 Fréquence 1 14 Longueur d onde (ou période spatiale) 1 2 Etude des ondes électromagnétiques 2 21 Spectre des ondes électromagnétiques 2 22 Lumière visible 2 23 Mesure de la lumière 2 II ptique géométrique 3 3 Réflexion et réfraction 3 31 Présentation 3 32 Lois de réflexion de Descartes 3 33 Lois de réfraction de Descartes 3 34 Réflexion totale 4 4 Etude du miroir plan 4 5 Etude des lentilles 5 51 Description 5 52 Définitions 5 53 Construction de rayons lumineux/d images 7 9