L`invisibilité science fiction ou réalité

Olympiades de Physique 2016-2017
L'invisibilité science fiction
ou réalité
AGUESSY Kaimy
RAKOTOARIMANGA Muriella
CAVARD Léa
1
Sommaire:
Résumé……………………………………………………………………………………………………. 3
Introduction………………………………………………………………………………………………….3
I. La réfraction
➔ Présentation du principe de
réfraction…………………………………………………………..4
➔ Rechercher d’un indice de
réfraction…………………………………………………………....5
➔ L’invisibilité obtenue grâce aux indices de réfraction ……………….……………………7
II.
➔
➔
➔
➔
III.
Le pouvoir des lentilles
La découverte de l’université de Rochester…………………….………………………….8
Les lentilles convergentes……………….…………………………………………………....9
Les lentilles divergentes…………………….…………………………………….…………...9
Réalisation de l’expérience…………………….…………………………………....……....10
La réflexion totale
➔ Étude du miroir par un dispositif……………….……………………………………………12
➔ Deuxième dispositif par combinaison de quatre miroirs ……………………………..…13
➔ Amélioration du deuxième dispositif ……………………………………….……………………
14
IV.
Les méta-matériau
➔ Présentation des méta-matériau………………....……………………..………………….15
➔ Permittivité et perméabilité d’un milieu………………………………………………………16
➔ Indice de réfraction
négatif……………………………………………………………………...16
Conclusion………………………………………………………………………………………….……18
Remerciements………………………………………………………………………………………….18
Bibliographies…………………………………………………………………………………………....18
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Introduction:
L’invisibilité est l’état d’un objet ou d’un organisme vivant qui ne peut être vu par
l’Homme. Il en existe différentes types, par exemple dans le domaine de l’optique, mais
aussi le domaine acoustique, mécanique.
Ce concept a été associé souvent au surnaturel mais il interroge aussi la sphère
scientifique et technique.
Notre travaille de cette année c’est porté essentiellement sur l’invisibilité optique, et plus
précisément sur l’invisibilité à l’oeil nu.
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I-La réfraction :
➔ Présentation du principe de réfraction
Lorsque nous plaçons une paille dans un verre
transparent rempli d'eau, on a l'impression que la
paille est brisée, alors qu'elle est intacte. Cette
impression est du à un phénomène appelé
« réfraction ».
Il est du aux propriétés de
propagation de la lumière.
Si l'on envoie un rayon lumineux dans un
matériau transparent on observe que de ce
rayon :
- Une petite partie de la lumière est réfléchie :
c'est le phénomène de réflexion partielle.
-Et une majeur partie pénètre dans le matériau
avec un changement de direction faible et
ressort avec une déviation plus élevée. Ce
phénomène par lequel la lumière change de
direction lorsqu'elle passe d'un milieu
transparent à un autre, s'appelle la réfraction.
On observe deux angles :
Ɵ₁ :l'angle d'incidence
ϴ₂ : l'angle de réfraction
Quand on fait varier l'angle
d'incidence, il existe un rapport
constant entre les sinus des angles
d'incidence et de réfraction.
L’angle doit être supérieur ou
égale à 1. C'est la règle de
Descartes :
n₁.sin Ɵ₁= n₂. sin ϴ₂
Avec n₁ et n₂ les
indices de réfraction propre à
chacun des matériaux.
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Sur l’image , on peut observer une déformation du tube à essai se
trouvant dans l’eau contenu dans un bécher. Ce phénomène
s’explique car l'air, le pyrex et l'eau qui n'ont pas le même indice
malgré qu'ils soient tous transparents.
A chaque fois que la lumière passe d'un milieu à l'autre, elle est
déviée, c'est ces déviations qui les rendent perceptibles. C'est le
phénomène de diffusion de la lumière.
➔ Rechercher d’un indice de réfraction
Ainsi, nous en avons déduit que pour ne pas distinguer les changements de milieux, il
faut que la lumière passe dans chacun des éléments sans être dévié. Pour ce faire ils
doivent avoir le même indice de réfraction. Nous allons donc le montrer grâce à une
expérience.
Sachant que l'indice de réfraction du pyrex (matière du bécher utilisé) est de 1,47 nous
avons recherché un éléments (une substance) ayant le même que celui-ci.
Table d'indices de réfractions :
Verre
Benzène
Plexiglass
Pyrex
Glycérine
1,52
1.50
1,51
1,47
1.47
Pour des raisons pratiques nous avons choisis d'utiliser la Glycérine.
Nous avons tout de même voulu
vérifier son indice de réfraction. Pour
ce faire nous avons utilisé un appareil
de mesure expérimental : le disque
optique.
Pour la réaliser, nous avons besoin
une source de lumière laser, du logiciel Regressi (un tableur-grapheur), d’un disque
gradué avec un demi-cylindre et enfin de la glycérine.
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Tout d’abord, nous avons versé du glycérol dans la cuve demi cylindrique, puis régler le
laser à 0° , et nous avons déplacé le disque optique afin de faire varier l’angle d’incidence i
de 10° en 10° en commençant par i=0° et nous avons mesuré les valeurs correspondantes
de l’angle de réfraction r et enfin nous avons rentrer les valeurs dans le logiciel tableur
grapheur Regressi et créer les grandeurs des valeurs expérimentales afin d’afficher le
graphe sin r = f(sin I).
Tableau des valeurs :
Graphique :
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L'incertitude s’explique lorsque nous avons relevé les valeur de l’angle, dû aux graduation
mais aussi lors du réglage de l’appareil.
➔ L’invisibilité obtenue grâce aux indices de réfraction
Nous obtenons tout de même des indices de réfractions très proches, ce qui nous a
permis de réaliser l’expérience suivante avec la glycérine:
Pour cela nous utiliserons un bécher, un tube à essai et du glycérol. Nous avons versé le
glycérol dans un bécher, puis du glycérol dans le tube à essai. Et enfin, nous avons Inséré
le tube à essai dans le bécher, on ne le distingue plus.
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II-Le pouvoir des lentilles :
➔ La découverte de l’université de Rochester
Pour faire disparaître un objet nous avons étudié une méthode optique, plus
spectaculaire. Nous nous sommes basé sur une découverte récente de chercheur de
l'université de Rochester.
Ces chercheurs on inventés un dispositif
composé de quatre lentilles convergentes,
capable de faire disparaître un objet placer
à un certain endroit entre les lentilles. Du
point de vue de la première lentille l'objet
n’apparaît pas alors qu'en dehors on voit
bien qu'il est présent
Ce phénomène s’explique par le fait que les chercheurs ont réussi à créer une zone où
aucun rayon lumineux ne passe, afin que tout objet s’y trouvant ne soit donc pas repérer le
rendant ainsi invisible. Cette zone à été appelée la « cloaked region » traduit par la
« région cachée » en français
Avant de parvenir à réaliser la disparition d'un objet nous avons étudié les
caractéristiques des lentilles utilisés : les lentilles convergentes.
➔ Les lentilles convergentes
Lentilles convergentes (lentilles à bords minces) font converger des faisceaux de rayons
lumineux parallèles de lumières.
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Schéma lentille convergente:
➔ Les lentilles divergentes
Il existe aussi des lentilles divergentes (lentilles à bord à épais) font diverger des faisceaux
de rayon lumineux parallèles de lumière.
Schéma lentille divergente:
➔ Réalisation de
l’expérience
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De plus, le foyer F d’une lentille convergente est le point où converge la lumière lorsque la
lentille est traversée par des faisceaux de rayons parallèles de lumière et une distance
focale f est la distance entre le foyer et la lentille (elle dépend de la lentille).
Par exemple, sur une lentille convergente:
L’association de quatre lentilles convergentes nous permet d’obtenir le schéma suivant et
d’ainsi réduire le champs de vision en excluant tout rayon lumineux au dessus et au
dessous des rayons ayant convergé.
Protocole :
Matériel :
-4 lentilles convergentes
2 de distances focale de 10cm
2 de distance focale de 20cm
-Barre d’optique
Nous avons placé les lentilles à des distances :
t1=f1+f2= 30 cm entre f1-f2 et f3-f4
t2=2f2(f1+f2)/(f1-f2)= 60 cm entre f2-f3.
Les distances entre les lentilles ont été calculées grâce aux formules précisées plus haut
découlant de matrices ABCD.
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L la longueur totale du système
n l’indice de réfraction du milieu environnant
f la distance focale de la lentille
Nous avons placé des objets dans la
cloaking region, qui se situe à 10 cm de f3.
Nous ne distinguons plus la règle depuis la
première lentille.
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III-La réflexion totale :
➔ Étude du miroir par un dispositif
Nous avons à étudier le phénomène de réflexion avec
l’exemple du miroir plan.
Un miroir permet d’obtenir une réflexion totale des
rayons lumineux incident, ayant pour conséquence de
former une image virtuelle de ce qui se trouvait devant
celui ci.
Ainsi, si l’on place un objet symétrique devant un miroir et que l’on ne regarde que son
reflet, il est impossible de savoir si l’on observe l’objet lui-même ou bien son reflet car ce
dernier est totalement symétrique par rapport à la face du miroir. Dès lors, lorsque, dans
notre boîte, on place un miroir qui va suivre une diagonale et la couper en deux, toutes les
parties visibles vont se refléter dans le miroir. Si ces parties visibles sont bien symétriques,
cela nous donne l’impression de voir l’entièreté de la boîte et pas seulement la moitié qui
est reflétée dans un miroir. Cela permet donc de cacher à la vue de tous la partie de la
boîte qui se trouve derrière le miroir.
➔
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➔ Deuxième dispositif par combinaison de quatre miroirs
Si l’on combine plusieurs miroir, il serait donc possible de faire dévier les rayons incidents
jusqu’à un point voulu, et ainsi d’isoler un espace de tout rayon, le rendant imperceptible,
invisible.
Nous avons utilisé quatre miroirs plans créant un système afin d’étudier la réflexion
totale. Pour trouver la position des miroirs, nous avons utilisés un laser afin d’être sûre de
la trajectoire des rayons lumineux.
Nous avons dissimulé un flacon derrière une bouteille.
Nous pouvons observé depuis le premier miroir le flacon
dissimulé grâce au système.
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On en a donc déduit qu’il serait possible de cacher un objet en faisant apparaître l’arrière
plan à la place de cet objet. Ce que nous avons réussi à schématiser grâce aux quatre
miroirs.
➔ Amélioration du deuxième dispositif
De cette première expérience, nous avons réalisé un système fermé avec nos quatre
miroirs afin de dissimuler le dispositif rendant notre expérience plus réaliste.
Sur la première photo, on observe dans le trou le fond de la boîte. Sur la suivante, nous
pouvons nous rendre compte du système et donc en déduire que l’image de la première
photo est l’image reflétée par les miroirs.
- Nous avons donc rendu le système invisible.
- Si nous fermons la boîte et que nous y glissons un objet à un endroit précis
observable
ci-dessous,
nous ne le percevons pas
depuis le point de vision.
Point de vue de l'observateur
←Boîte fermée contenant une bouteille
dépassant de celle-ci
-→
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IV-Méta-matériaux :
➔ Présentation des méta-matériau
Bien que nous n’ayons pas travaillé spécifiquement sur ce dispositif, nous devons tout de
même mentionner cette avancée
prometteuse.
Actuellement, des chercheurs
travaillent sur une nouvelle
manière de créer l’invisibilité
grâce
à
des
matériaux
spécifiques capables de dévier
les rayons lumineux autour d’un
objet.
Métamatériaux vient du préfixe “méta“ qui désigne un matériau fabriqué par l’Homme car
ils n’existent pas à l’état naturel, il est donc artificiel et il présente des caractéristiques
électromagnétique qu’on ne retrouve pas dans les matériaux naturels. De plus, ce sont
des matériaux composites, c’est-à-dire qu’ils sont composés de plusieurs couches, d’une
matrice en fibre de verre les une sur les autres.
Ces matériau permettent de modifier la trajectoire des rayons lumineux.
L’invisibilité par réfraction consiste à réfracter les
rayons lumineux pour qu’ils contournent l’objet à
dissimuler et ils reprennent en aval du dispositif
leurs directions initiales.
➔ Permittivité et perméabilité d’un milieu
Les rayons lumineux sont des rayons électromagnétiques, leur déplacement dans
l’espace est assuré par des champs électriques et magnétiques qu’elles traversent.
Le magnétisme est un phénomène physique dans lesquels les objets exercent des forces
attractives ou répulsives sur d'autres matériaux.
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La partie électrique se mesure en permittivité du milieu. La permittivité d’un milieu est la
tension nécessaire aux rayons lumineux pour parcourir une distance donnée dans ce
milieu.
La partie magnétique se mesure en perméabilité magnétique du milieu. La perméabilité
d’un matériau est la capacité d’un matériau de produire un champ électrique.
ε
la permittivité électrique et
εₒ
μ
la perméabilité magnétique et
la permittivité électrique du vide
μ ₀ la perméabilité magnétique du vide
➔ Indice de réfraction négatif
Toutes les propriétés électromagnétiques (dont les propriétés optiques au sens de
l’optique
géométrique) peuvent être déduites de ε et de μ. En particulier l’indice de réfraction n est
calculé par la relation :
La partie réelle de l’indice de réfraction est en général positive car souvent ε >0 et μ
>0. Mais il a été montré théoriquement par Veselago que si dans un matériau ε <0 et
μ <0, alors l’indice de réfraction peut être “négatif” (entre 0 et 1). On parle alors de
matériau
« main gauche » car le trièdre formé par le champ électrique,le vecteur d’onde et
le champ magnétique est indirect.
Avec un matériau « main gauche », les propriétés liées à la géométrie des lentilles
classiques sont inversées. Une lentille avec une surface convexe a un effet divergent
alors qu’une lentille à surface concave est convergente. Dans ce cas, la réfraction lors de
la traversée d’une interface voit son angle inversé.
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Avec un indice de réfraction négatif, le rayon lumineux est alors dévié de façon très
importante.
(a) Onde électromagnétique émise par une antenne cornet en espace libre,
(b) en présence d’un obstacle sous la forme d’un cylindre métallique, et
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(d) avec la cape d’invisibilité autour du cylindre métallique. La mesure montre la réduction significative des
réflexions et la disparition de l’ombre du cylindre métallique en présence de la cape (d). Pour comparaison,
la figure (c) présente la simulation de la propagation de l’onde par un modèle à éléments finis.
Cependant, cette application n’est possible pour le moment que dans le champ des
micro-ondes car si l’on devait travailler dans le visible, le matériau devrait être
nanoscopique, ce qui pose encore des problèmes.
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Conclusion:
Nous avons donc étudié plusieurs procédés permettant de rendre un objet invisible.
Tout d’abord, grâce à un protocole expérimental, nous avons pu rendre invisible un
objet se trouvant dans une matière ayant le même indice de réfraction. Pour cela nous
nous sommes munis d’une solution de glycérol, d’un bécher et d’un tube à essais.
De plus, après de nombreuses recherches, nous avons appris que nous pouvons
rendre un objet invisible par des lentilles convergentes qui dévient les rayons lumineux ce
qui réduit le champs et créent la « cloaked region ». Nous avons pu reproduire ce
phénomène dans le laboratoire d’optique de lycée. Nous avons également pu, grâce à la
réflexion, dissimuler un objet. En effet, en changeant la direction des rayons lumineux par
des miroirs nous avons pu faire apparaître un objet qui ne pouvez normalement pas être
vu étant caché par un autre objet.
Actuellement, il y a des progrès technologique considérable concernant l’invisibilité. Les
chercheurs s'intéressent aux métamatériaux qui pourraient servir à des organismes
comme l’armée et qui pourraient atténuer les conséquences des catastrophes naturelles.
Mais l’application directe de l’invisibilité reste de nos jours encore impossible. En effet, la
cape d’invisibilité comme nous le percevons n’est pas réalisable car ne nous pouvons
rendre un corps humain invisible et ayant le même indice de réfraction que son milieu,
c’est à dire l’air.
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Remerciements:
Nous tenons à remercier le professeur de Physique-Chimie, coordinateur du projet,
Franck NASSIET, ainsi que Dominique LALANNE et particulièrement Ali RAIMI, pour le
temps qu’il nous a consacré , pour leurs conseils et leurs soutiens qui nous ont été
précieux tout au long de notre parcours, sans oublier José AYESA et Laurent PAQUIER,
préparateurs au laboratoire de physique et de chimie, pour nous avoir aidé et conseillé
lors des réalisations de certaines expériences. Nous souhaitons remercier notre
professeur de physique de première, Evelyne DEBBAH qui nous a proposé de participer à
cette expérience enrichissante.
Bibliographie:
Pour la science, Invisibilité un fantasme qui devient réalité d’août 2009 n°382
Paraxial Ray Optics Cloaking de Joseph S.Choi et John C.Howell professeur de l’institut
d’optique de l’université de Rochester de New York
Invisibilité, dossier de presse de la conférence du CNRS le mercredi 23 mai 2012 à Paris
Autres sites internet.
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