Ce qui est simple est faux, Ce qui est compliqué est inutilisable Paul VALERY 1
Sophie CASANOVA bat L. Néel (027) (face à la travée 2 du peigne) e-mail : Sophie.casanova@insa-lyon.fr PHYSIQUE SEMESTRE 1 Cours intégralement sur Moodle (avec???), page «physique lanière B Sem.1» 2
Contenu - 1 er semestre - Optique géométrique - Mesures : grandeurs, unités, incertitudes - Electricité - 2 ème semestre : - Mécanique - (Introduction à l ) Electromagnétisme - 2 éme Année: - Fin électromagnétisme - Ondes 3
Organisation au Semestre 1 (1/3) Cours (amphi, lanière) : 1h /semaine Travaux Dirigés (TD, groupe) : 2,5 h/semaine Travaux pratiques : 3h/semaine Variabilité (ex: semaine 2) Lien avec l OMSI 4
Amphi Curie Mon bureau LP5 LP6 LP1 LP2 LP3 LP4 Le couloir caché (secrétaire, service CAP ) 5
Organisation au Semestre 1 (2/3) Contrôles (1 er semestre) - 3 interrogations écrites (IE) : 1h, 1h30, 1h30 - Devoir de Synthèse (DS) : Janvier, 3 h - Contrôle des TP en manip de synthèse + en IE/DS Coef. Exacts en ligne sur la page moodle PHSIQUE 1A (en gros, 40% DS, 40% IE et 20% TP) 6
Organisation (3/3) Documents écrits : polycopiés (3 au premier semestre) - Optique - Mesures - Electricité Contenant tous : - les éléments de cours - des exercices faciles (niveau 1) : à faire seul - des sujets d exercices, des anciens sujets d interrogations écrites ou de devoirs de synthèse, des devoirs «maison» : pour travailler seul ou en TD - les sujets de TP ou de TP/TD 7
Exigences (1/3) Travailler le cours, à l aide - du Poly - des transparents sur la page Moodle lanière B - de vos notes en amphi (???) - des exos niveau 1 - des QCM sur la page Moodle physique PCC1A Repérer ce qu on n a pas compris -> Poser des questions Repérer ses points faibles -> S entrainer! 8
INSA = PHYSIQUE entre 1610 et 1930 1A S1 : optique géométrique + électricité 1A S2 : mécanique + électromagnétisme 2A S1 : électromagnétisme 2A S2 : Ondes et optique ondulatoire 1A S1 : chimie 20 eme 19 eme 18 eme 17 eme 1610 1630 1650 1700 1780 1800 1810 1820 1850 1860 1870 1880 1890 1895 1905 1920-30 Galilée, Kepler Snell, Descartes Pascal Newton Coulomb Young Malus, Fresnel Biot, Savart, Laplace, Ampère, Faraday, Gauss Wheatstone, Kirchhoff, Foucault Maxwell. Rayleigh Michelson Hertz Roentgen, Perrin, Becquerel Einstein Planck, Bohr, Einstein, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg
ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE Fonctionnement : - électrostatique - électrocinétique - magnétisme... 1A S1 1A S2 2A S1 2A S2 Propagation des ondes : - ondes électromagnétiques - satellites : mécanique - fibres optiques : optique.. 10
Objectifs Développer des connaissances Acquérir une démarche scientifique (Observation, questionnement, hypothèses, modélisation, expérimentation, retour sur hypothèse) Entrainer votre esprit d analyse, de synthèse, mais surtout votre esprit critique!! Apprendre à raisonner! et à calculer juste! 11
Objectifs Ces objectifs seront évalués: - Exo «ouvert», non guidés: - reconnaitre les phénomènes, - paramétriser les grandeurs utiles, - faire des hypothèses simplificatrices et - mener le raisonnement. Exemple: http://www.beebac.com/pg/publication/read/49998/diffusion-de-lalumiere-indice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexiontotale-refracti http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physiquea-main-levee-refraction-tpe-unisciel - 2 pts sur pertinence du résultat (homogénéité, ordre de grandeur, précision, ) 12
OPTIQUE GEOMETRIQUE Pourquoi? 13
CD panneaux solaires 17 eme 1610 1630 1650 1700 Galilée, Kepler Snell, Descartes Pascal Newton Optique géométrique 1780 Coulomb laser Suite de l optique La fibre 1800 1810 1820 1850 Young Malus, Fresnel Biot, Savart, Laplace, Ampère, Faraday, Gauss Wheatstone, Kirchhoff, Foucault endoscopes 1860 Maxwell. Cristaux liquides Lecture codes barres Spectromètres 1870 1880 1890 1895 1905 1920-30 Rayleigh Michelson Hertz Roentgen, Perrin, Becquerel, Curie Einstein Planck, Bohr, Einstein, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg
Chap. I : BASES DE L OPTIQUE GEOMETRIQUE I - Introduction : - optique = étude des phénomènes lumineux perçus par l œil Lumière Source (émetteur) Milieu (déviations) Récepteur ( Œil, appareil photo...) Si on voit un objet, c est que de la lumière issue de cet objet arrive dans notre œil. 15
- Sources????? - Milieux???? - Récepteurs???? - Quelles modèles pour la lumière??? (Quels mots utilisés pour décrire la lumière????) 16
3 descriptions pour la lumière : (historique à lire dans le poly!) - rayons (Descartes, Fermat, Newton : 17 e ) - ondes (Huygens, Fresnel, Maxwell : 19 e ) - photon (Planck, Einstein : 20 e ) (associés à 1 onde) 17
y a) lumière = onde électromagnétique : Expériences décisives : interférences??? + diffraction???(lire le poly!) onde progressive = perturbation périodique qui se propage à la vitesse v - dans le vide : v= c =??? m/s (299 792 458 m s -1 ) - ailleurs??? - milieu homogène : propagation???. (2A) La perturbation = un couple (E, B) à la direction de propagation et E B E et B vibrent en phase Période T Fréquence f = 1/T Longueur d onde = v T = v/f x Longueur d onde 18
Ondes radio ( ) ~ 750 nm avec 1 nm =??? m =??? mm De + en + énergétique
b) Propagation de l onde dans un milieu matériel: vide milieu Notion de transparence : Si l intensité lumineuse ne diminue pas dans le milieu, on dit que le milieu est transparent. Il n y a pas d absorption. (cf S2 2A) Notion d indice : vide c = 3.10 8 m/s milieu v = c/n avec n>1 indice du milieu n = c/v vide air eau verres n = 1 1,0003 1,33 1.3-1.9 (dépend du verre et de la fréquence) Attention : = v T = v/f donc dépend du milieu!! = vide /n < vide Ce qui caractérise une radiation c est donc sa fréquence ou sa longueur d onde dans le vide!! 20
c) Photon Effet photoélectrique (Lire le poly!): Observations : 1839 Becquerel + 1887 Hertz Interprétation : Einstein 1905 (http://fr.wikipedia.org/wiki/effet_photo%c3%a9lectrique) Discontinuité de l apport d énergie par la lumière. Photon d énergie E E = h f h=6.62 10-34 JS : constante de Planck Méca Q : permet le lien entre l aspect ondulatoire et corpusculaire. 21
d) Les sources - spectres: Polychromatiques Monochromatique: une seule fréquence (laser) 22
ANNEXE: Association spectres - sources Spectre continu d émission («corps noir» milieu chaud et dense) Ex: lampe a filament, soleil..
Spectre de raies d émission (gaz chaud) Ex : lampe à vapeurs (Na, Cd, )
Spectre de raies d absorption = gaz froid entre la source continue et l observateur)
II - Optique géométrique : 1) Intro - Ne prend pas en compte la nature physique de la lumière : ==> description sous forme de rayons - Rayon = trajet (idéalisé) suivi par la lumière depuis un point d'un objet lumineux = trajectoire du photon ou direction de propagation de l énergie de l onde. - ~ faisceau lumineux très fin mais de diamètre >>. Les dimensions du système sont >> (pas de diffraction cf. S2 2A) S x d d Diffraction OK diaphragme écran Attention: un rayon est invisible! Pq????? 0.5 mm x 26
Que savez vous sur le trajet de la lumière??? -??? -??? -??? - Loi(s)??? Vous savez déjà tout, ou presque, mais ça sort d où?? 27
2) Principe de FERMAT : Principe de FERMAT : Le rayon lumineux suit toujours le chemin «qui prend le moins de temps» A n1 n2 n3 B d1 d2 d3 Temps pour aller de A à B: t AB = d 1 /v 1 + d 2 /v 2 +d 3 /v 3 + = (n 1.d 1 + n 2.d 2 +n 3.d 3 + )/c Si le milieu est homogène, le temps pour aller de A à B: t = nd/c 28
Principe de FERMAT : Le rayon lumineux suit toujours le chemin tel que la durée du parcours soit extrémale (en général minimale!) - Application1: si n cst, propagation en ligne droite car L(AB) minimum pour une droite entre A et B - Application2: «principe» du retour inverse de la lumière: le temps de parcours est indépendant du sens de propagation de la lumière. - Application 3: Lois de Descartes! 29
III - Lois de DESCARTES : 1 - Définitions : Dioptre: Surface de séparation entre 2 milieux. En rencontrant un dioptre, le rayon incident (=qui arrive) est en général en partie transmis (=rayon réfracté) et en partie réfléchi. Le plan d incidence est le plan contenant le rayon incident et la normale n au dioptre. TOUS LES RAYONS SERONT REPERES PAR LEUR ANGLE AVEC LA NORMALE : n n 30
2 Enoncé des lois de Descartes : Loi 1: le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan d'incidence Loi 2 : les angles d incidence et de réflexion sont égaux i = i Loi 3 : les angles d incidence et de réfraction vérifient: n 1 sin i = n 2 sin r De l autre coté de la normale /rayon incident 31
2 Enoncé des lois de Descartes : Si les angles sont non orientés: Loi 2 : les angles d incidence et de réflexion sont égaux i = i Loi 3 : les angles d incidence et de réfraction vérifient: n 1 sin i = n 2 sin r Si les anles sont orientés (tjrs de la normale vers le rayon!): Loi 2 : les angles d incidence et de réflexion sont égaux??? Loi 3 : les angles d incidence et de réfraction vérifient:??? 32
3 Démonstration à partir du principe de Fermat : Principe de la démonstration des lois de Descartes avec le principe de Fermat: http://ressources.univ-lemans.fr/acceslibre/um/pedago/physique/02/optigeo/fermat.html (Choisir n1=1.33, minimiser, observer les angles Choisir n1=1, minimiser, observer les angles) «Avec les mains» : Dans le cas ci-dessus n1<n2 : la lumière va plus vite dans le milieu 1. Plutôt que de se propager en ligne droite entre A et B, le trajet est allongé dans 1 et raccourci dans 2, on dit que le rayon «se rapproche de la normale». 33
3 Démonstration à partir du principe de Fermat : z A et B fixes, cherchons M tel que t(ab) soit minimum, (M = dioptre rayon) A u1 t x O i 1 H n. AM n. MB c c i 2 u2 B 1 2 n 1 n 2 x chemin minimal??? A (0,0,z A ) B (D,0,z B ) M (x,y,0) A et B fixes M à choisir pour vérifier le principe de Fermat a) Montrons que y=0, c est-à-dire que M appartient au plan de la figure (0,x,z) Soit H(x,0,0) projection de M dans le plan (0,x,z), t. c n. AM n. MB n. AH MH n. HB MH n. AH n. HB 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 Conclusion1 : le rayon lumineux est donc inclus dans le plan passant par A et B et orthogonal au dioptre : loi de Descartes N 1a 34
c. t n. AM n. MB chemin minimal??? 1 2 A x O z u1 i 1 M i 2 u2 B n 1 n 2 x A (0,0,z A ) B (D,0,z B ) M (x,0,0) A et B fixes M à choisir pour vérifier le principe de Fermat b) c. t( x) n. AM n. MB n. z x n. z ( D x) 2 2 2 2 1 2 1 A 2 B x D x c. t '( x) n. n. 1 2 2 2 2 2 za x zb ( D x) c. t '( x) n sin( i ) n sin( i ) 1 1 2 2 Conclusion 2: n 1 sin i 1 = n 2 sin i 2 : loi de Descartes N 3 35
c) Le même raisonnement avec C au lieu de B donne: - le rayon lumineux est donc inclus dans le plan passant par A et C et orthogonal au dioptre : loi de Descartes N 1b - n 1 sin i 1 = n 1 sin i 1 loi de Descartes N 2 A u1 i 1 i 1 u 1 C n 1 - Pq «extrémal?» http://ressources.univ-lemans.fr/acceslibre/um/pedago/physique/02/optigeo/fermat.html M n 2 36
Faut-il apprendre les démonstrations du cours? Méthode: - Poser le pb (que sait-on? Que cherche-t-on?) - Faire un schéma (toujours!!!!!!) - «paramétriser» (ex: choisir des axes, des variables, des paramètres ) - Traduire le pb en équations - Calculer - Conclure Il faut les travailler!
4 Discussion, cas n2> n1: Le milieu 2 est + réfringent que le 1 ex : air eau n 1 = 1, n 2 = 1,33 Quelque soit i 1, i 2 < i 1 : le rayon «se rapproche» de la normale http://dmentrard.free.fr/geogebra/sciences/physique/optique/refraction.html Ex, en lumière «rasante», i 1 =90, i 2 =asin(1/1.33)= 48,6 APPLICATION : Dans le verre n dépend de : n = f( ) n = a + b/ 2 (loi de Cauchy, cf 2A S2) bleu??? rouge n bleu??? n rouge I 2bleu??? i 2rouge Un rayon bleu est plus dévié qu un rayon rouge dans le verre = Dispersion n 1 =1 n 2 = f( ) 38
5 Discussion, cas n2 < n1 Le milieu 1 est + réfringent que le 2 i 1 n 1 ex : eau air n 1 = 1,33, n 2 = 1 n 2 i 2 i 2 > i 1 : le rayon «s éloigne» de la normale (Rq : Dispersion aussi) http://dmentrard.free.fr/geogebra/sciences/physique/optique/refracreflexion.html i 2 ne peut pas être > à 90! Si n 1.sin(i 1 ) / n 2 > 1 le rayon réfracté n existe pas! Il y a alors seulement un rayon réfléchi. = Phénomène de réflexion totale L angle d incidence limite i 1limite est tel que i 2 =90 i 1limite?? i 1limite = asin(n 2 /n 1 ) ex : verre air i 1limite = 41,8 Remarque: Le rayon réfléchi existe TOUJOURS, mais son intensité lumineuse est en général très faible (cf 2A S2) par rapport à l intensité du rayon réfracté si i 1 n est pas trop grand, mais en cas de réflexion totale, par définition, 100% de l intensité incidente est réfléchie. 39
IV - Applications: 1) Périscope (cf TD, exo 1.20) Prisme isocèle rectangle en verre (n ~ 1.5) Déviation à 90 Déviation à 180 Pourquoi la surface du prisme est-elle vue comme un miroir?? 40
2) - Fibres optique (cf TPTD1) 1 - saut d indice 1 Réflexion totale n 1 Pourquoi la lumière est-elle piégée dans la fibre???? 41
2 - gradient d indice N, n est pas constant, ex: n = f (z) 1) Mirage Si le trajet du rayon vérifie la figure ci contre, Comment varie n avec z? 2) Fibre à gradient d indice: Comment varie l indice dans la fibre? 42
3) Lames à faces parallèles cf TPTD1 a - Définition : - ensemble de 2 dioptres dont les surfaces sont // - n 1, n 2, n 3 ==> 2 réfractions b - Cas général : n 1 n 3 n 1 i 1 I n 2 i 2 i 2 J i 3 n 3 n 1.sin(i 1 ) = n 2.sin(i 2 ) n 2.sin(i 2 ) = n 3.sin(i 3 ) n 1.sin(i 1 ) = n 3.sin(i 3 ) résultat : - indépendant de n 2! - même résultat avec un seul dioptre - mais déplacement application : séparation de deux fluides c - Cas particulier : n 1 = n 3 ==> i 1 = i 3 ==> rayon incident // rayon émergent 43
4) Expériences de la pièce b) Disparition (et réapparition) de la pièce sous le verre.???????? a) Apparition de la pièce dans le verre??????? http://www.beebac.com/pg/publication/read/49998/diffusion-de-lalumiere-indice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexiontotale-refracti http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physique-amain-levee-refraction-tpe-unisciel 44
5) Arc en ciel Quelques très belles images: http://www.atoptics.co.uk/rainbows/bowims.htm Avec les explications qui vont avec: http://www.atoptics.co.uk/bows.htm (Sur un superbe site de phénomènes d optique atmosphérique : http://www.atoptics.co.uk/) 45
Quelques vidéos très claires sur le phénomène de l arc en ciel : Formes et couleurs: (Film de 9 minutes, les 5 premières minutes sont plutôt historiques, les 4 dernières minutes sont véritablement sur les explications physiques). http://www.youtube.com/watch?v=r_hfjfm91c4 Autres aspects: 2eme arc, bande sombre d Alexandre. http://www.youtube.com/watch?v=azsuzl89tcs 46