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OPTIQUE GÉOMETRIQUE 1. Généralités sur la lumière. Qu’est ce que la lumière ? Qu’est ce que la lumière ? Ce qui permet de voir La lumière provient de sources lumineuses La lumière provient de sources lumineuses La lumière provient de sources lumineuses La lumière provient de sources lumineuses La lumière provient de sources lumineuses La lumière provient de sources lumineuses Corps portés à haute température À la lumière est associé un transfert d’énergie Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. de l’énergie nucléaire. Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. de l’énergie nucléaire. de l’énergie thermique. Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. de l’énergie nucléaire. de l’énergie thermique. de l’énergie électrique. Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l’énergie. de l’énergie nucléaire. de l’énergie thermique. de l’énergie électrique. de l’énergie chimique. La lumière peut donc aussi être pensée comme un mode de transfert d’énergie. 2. Propagation rectiligne de la lumière. 2. Propagation rectiligne de la lumière. 2.1. Généralités. 2. Propagation rectiligne de la lumière. 2.1. Généralités. L’observation des phénomènes lumineux conduit à penser que la lumière va en ligne droite. Forme des ombres dans certaines conditions on ne peut plus considérer que la lumière va en ligne droite : théorie ondulatoire. Dans ce chapitre on ne prend en compte que la propagation rectiligne : c’est l’optique géométrique, 2.2. Le modèle du rayon lumineux. La lumière va en ligne droite. On va représenter le parcours de la lumière par des droites. Ces droites sont appelées rayons lumineux. On va représenter le parcours de la lumière par des droites. Ces droites sont appelées rayons lumineux. Deux rayons lumineux définissent un faisceau lumineux. Deux rayons lumineux définissent un faisceau lumineux. Le faisceau contient une infinité de rayons lumineux. Le faisceau contient une infinité de rayons lumineux. Le faisceau contient une infinité de rayons lumineux. 2.3 Angle apparent Notion utilisée pour caractériser les objets petits ou lointains. h d h tan d h tan d En général petits angles : tan ~. h d h d Vrai seulement avec des angles exprimés en radian. 3. Les lois de Snell-Descartes. 3. Les lois de Snell-Descartes. 3.1. Nature des phénomènes étudiés. Réflexion Réfraction Réfraction Réfraction Réflexion : se produit sur une surface lisse. Réflexion : se produit sur une surface lisse. Réfraction : se produit lorsque la lumière passe d’un milieu transparent à un autre. Réflexion : se produit sur une surface lisse. Réfraction : se produit lorsque la lumière passe d’un milieu transparent à un autre. En général, coexistence des deux phénomènes. Un milieu transparent est caractérisé par son indice. Indice d’un milieu matériel : c n v c : célérité de la lumière dans le vide v : célérité de la lumière dans le milieu transparent. Célérité c = 299 792 458 m.s-1 ~ 3.108 m.s-1 Matériau Indice Air 1,000293 Eau 1,33 Verre ordinaire 1,5 Diamant 2,43 3. Les lois de Snell-Descartes. 3.1. Nature des phénomènes étudiés. 3.2. Énoncé des lois. Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Rayon incident Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Normale Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Plan d’incidence Normale Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Rayon réfléchi. Normale Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Normale Dioptre Milieu d’indice n2 Rayon réfracté Milieu d’indice n1 Angle d’incidence i1 Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Angle de réflexion i’1 Dioptre Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Dioptre Angle de réfraction Milieu d’indice n2 i2 Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence : i’1 =i1. Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence : i’1 =i1. Lois de Snell-Descartes pour la réfraction : Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence : i’1 =i1. Lois de Snell-Descartes pour la réfraction : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence. Lois de Snell-Descartes pour la réflexion : Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence. L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence : i’1 =i1. Lois de Snell-Descartes pour la réfraction : Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence. n1.sini1 = n2.sini2 Réfraction Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Rayon incident Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Normale Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Si n2 > n1 : le rayon se rapproche de la normale Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Si n2 < n1, le rayon s’éloigne de la normale Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 3.3. Réfraction limite – réflexion totale. Réfraction limite : se produit quand n2 > n1 Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 On a alors i2 < i1 i1 Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 i2 Quand on augmente i1 , i2 augmente mais lui reste inférieur Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Quand on augmente i1 , i2 augmente mais lui reste inférieur Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 i1 a une valeur maximale, 90°, à laquelle correspond la valeur maximale de i2 , il. 90° Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 il Pas de lumière dans la zone i2 > il. 90° Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 il Réflexion totale : le phénomène se produit quand n2 < n1 : on a alors i2 > i1. i1 Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 i2 Quand i1 augmente, i2 augmente plus rapidement… Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 On arrive finalement à l’angle d’incidence il pour lequel l’angle de réfraction correspondant est i2 = 90°. il Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Que se passe-t-il pour un rayon avec un angle d’incidence i1 > il ? il Milieu d’indice n1 ? Milieu d’indice n2 Il ne peut exister de rayon réfracté : la lumière est alors réfléchie sur la surface du dioptre il Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 Pour i1 > il, toute la lumière est réfléchie : c’est la réflexion totale. il Milieu d’indice n1 Milieu d’indice n2 4. Formation des images. 4. Formation des images. 4.1. Notion d’objet et d’image. Le point objet est le point d’où partent les rayons lumineux. A A’ Système optique Le point image est le point où se croisent les rayons lumineux émergeant du système A A’ Système optique 4.2. Stigmatisme. 3.2. Stigmatisme. Le stigmatisme est la propriété des système optiques formant des images de bonne qualité. Le système est stigmatique si tous les rayons issus de A passent par son image A’. A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ Système stigmatique. A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ Système non stigmatique. Seul système optique parfaitement stigmatique : le miroir plan. Seul système optique parfaitement stigmatique : le miroir plan. En pratique on se contente des conditions de stigmatisme approché. Seul système optique parfaitement stigmatique : le miroir plan. En pratique on se contente des conditions de stigmatisme approché. Stigmatisme approché : les rayons lumineux ne passe « pas trop loin » de A’. Le stigmatisme approché est réalisé dans les conditions de Gauss : Le stigmatisme approché est réalisé dans les conditions de Gauss : Les rayons lumineux sont faiblement inclinés par rapport à l’axe du système optique. Le stigmatisme approché est réalisé dans les conditions de Gauss : Les rayons lumineux sont faiblement inclinés par rapport à l’axe du système optique. Les rayons lumineux sont proches du centre des systèmes optiques. Réalisation des conditions de Gauss par l’utilisation de diaphragmes. 4.3. Réel et virtuel. Il existe plusieurs configurations objet - image Système optique Objet réel A Système optique Objet réel – image réelle A A’ Système optique Objet réel A Système optique Objet réel – image virtuelle A Système optique Objet réel – image virtuelle A A’ Système optique Objet virtuel A Système optique Objet virtuel – image réelle A Système optique A’ Objet virtuel A’ A Système optique Objet / image réel : la lumière passe par le point considéré. Objet / image réel : la lumière passe par le point considéré. Si on y place un détecteur on mesure la présence de lumière. Objet / image réel : la lumière passe par le point considéré. Si on y place un détecteur on mesure la présence de lumière. Objet / image virtuel : la lumière semble passer par le point considéré. Objet / image réel : la lumière passe par le point considéré. Si on y place un détecteur on mesure la présence de lumière. Objet / image virtuel : la lumière semble passer par le point considéré. Si on y place un détecteur on constate l’absence de lumière. 4.4. Relation de conjugaison. 4.4. Relation de conjugaison. On appelle relation de conjugaison une relation entre la position de l’image et celle de l’objet.
