Cours d'Optique Géométrique : Principes de Base

COURS D’OPTIQUE
Chapitre 2
: Notions ou Principes de base de l’optique géométrique
A la fin de ce chapitre, l’apprenant doit être capable de
-
Rappeler les lois de Snell
- Discuter les lois de
Snell
-
Enoncer le principe de Fermat
-
Enoncer le théorème de Malus
2.1. Milieu de propagation de la lumière
On peut définir le milieu de propagation de la lumière comme étant l’espace qui se trouve
entre la source et le récepteur.
Les milieux
rencontrés dans la nature peuvent être
- transparents : ils
laisse
qui se trouvent en avant d’un tel milieu. On dit que de tels milieux laissent subsister
intégralement la sensation lumineuse.
- translucides :
ils laissent passer la lumière en la diffusant très fortement. Dans ces
conditions on ne peut
pas voir l’objet de façon nette à travers de
- opaques :
ils ne laissent passer aucune sensation lumineuse.
- homogènes
: les milieux
mêmes en tout point.
- isotropes :
les propriétés physiques sont les mêmes par rotation d’axes, c’est
dans toutes les directions.
- anisotropes
: les propriétés physiques dépendent de la direc
Les milieux étudiés en optique géométrique sont les milieux transparents, homogènes et
isotropes (THI).
2.2.
Rayon lumineux et propagation de la lumière
La notion de base de l’optique géométrique est le rayon lumineux
• pas de
signification physique mais c’est un outil très intéressant pour décrire la
propagation de la lumière dans les conditions bien définies.
• o
n peut le considérer comme la ligne suivant laquelle l’énergie lumineuse se
propage, c’est-
à
des photons.
L’expérience montre que dans des milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites
à partir de la source jusqu’au récepteur.
1
COURS D’OPTIQUE
/ Licence/Parcours Physique/Semestre 1 (S1)
: Notions ou Principes de base de l’optique géométrique
A la fin de ce chapitre, l’apprenant doit être capable de
:
Rappeler les lois de Snell
-Descartes
Snell
-Descartes
Enoncer le principe de Fermat
Enoncer le théorème de Malus
2.1. Milieu de propagation de la lumière
On peut définir le milieu de propagation de la lumière comme étant l’espace qui se trouve
rencontrés dans la nature peuvent être
:
laisse
nt passer la lumière et laissent
distinguer la forme des objets
qui se trouvent en avant d’un tel milieu. On dit que de tels milieux laissent subsister
intégralement la sensation lumineuse.
ils laissent passer la lumière en la diffusant très fortement. Dans ces
pas voir l’objet de façon nette à travers de
tels mi
ils ne laissent passer aucune sensation lumineuse.
: les milieux
sont homogènes si les caractéristiques des milieux sont les
les propriétés physiques sont les mêmes par rotation d’axes, c’est
dans toutes les directions.
: les propriétés physiques dépendent de la direc
tion de propagation
Les milieux étudiés en optique géométrique sont les milieux transparents, homogènes et
Rayon lumineux et propagation de la lumière
La notion de base de l’optique géométrique est le rayon lumineux
:
signification physique mais c’est un outil très intéressant pour décrire la
propagation de la lumière dans les conditions bien définies.
n peut le considérer comme la ligne suivant laquelle l’énergie lumineuse se
à
-dire le chemin suivi par la lumière, c'est-à-
dire la trajectoire
L’expérience montre que dans des milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites
à partir de la source jusqu’au récepteur.
/ Licence/Parcours Physique/Semestre 1 (S1)
: Notions ou Principes de base de l’optique géométrique
On peut définir le milieu de propagation de la lumière comme étant l’espace qui se trouve
distinguer la forme des objets
qui se trouvent en avant d’un tel milieu. On dit que de tels milieux laissent subsister
ils laissent passer la lumière en la diffusant très fortement. Dans ces
tels mi
lieux.
sont homogènes si les caractéristiques des milieux sont les
les propriétés physiques sont les mêmes par rotation d’axes, c’est
-à-dire
tion de propagation
Les milieux étudiés en optique géométrique sont les milieux transparents, homogènes et
signification physique mais c’est un outil très intéressant pour décrire la
n peut le considérer comme la ligne suivant laquelle l’énergie lumineuse se
dire la trajectoire
L’expérience montre que dans des milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites

D’où le principe :
La lumière se propage en ligne droite
Conséquences
: Existence d’ombre (exemple
rayons lumineux.
Les faisceaux lumineux peuvent être
- coniques convergents
- coniques divergents :
- cylindriques :
2.3.
Lois de Descartes. Lois de réflexion et de
2.3.1. Enoncé des Lois de Snell
Nous nous intéresserons seulement au faisceau réfléchi et au faisceau réfracté qui
subsistent seuls pour une surface parfaitement polie. Les
direction du rayon réfléchi et du rayon réfracté correspondant à un rayon incident donné.
S
2
La lumière se propage en ligne droite
: Existence d’ombre (exemple
: éclipse solaire)
; Pas d’interaction entre les
Les faisceaux lumineux peuvent être
:
:
Lois de Descartes. Lois de réflexion et de
réfraction
2.3.1. Enoncé des Lois de Snell
-Descartes
Nous nous intéresserons seulement au faisceau réfléchi et au faisceau réfracté qui
subsistent seuls pour une surface parfaitement polie. Les
lois de Descartes
direction du rayon réfléchi et du rayon réfracté correspondant à un rayon incident donné.
Figure 2.1
N
i
i’
r
R
T
I
; Pas d’interaction entre les
Nous nous intéresserons seulement au faisceau réfléchi et au faisceau réfracté qui
lois de Descartes
donnent la
direction du rayon réfléchi et du rayon réfracté correspondant à un rayon incident donné.

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Nous considérons un rayon incident SI rencontrant en I une surface Σ séparant deux
milieux (1) et (2) d’indices respectifs  et  . Dans la Figure 2.1, l’angle d’incidence est
l’angle  , l’angle de réflexion est l’angle  , l’angle de réfraction est
l’angle . On peut faire remarquer que ces angles sont tous compris entre 0 et ,
puisqu’ils sont définis dans un quart de plan.
On appelle plan d’incidence le plan défini par SI et la normale (N) en I à la surface
Σ. Les lois de Descartes s’énoncent alors :
1°) Le rayon incident SI, le rayon réfléchi (IR) et le rayon réfracté (IT) sont
contenus dans le plan d’incidence.
2°) L’angle de réflexion et l’angle d’incidence sont reliés par la relation :
 (2.1)
3°) L’angle de réfraction et l’angle d’incidence sont reliés par la relation :
 (2.2)
Remarque :
Pour une valeur donnée de l’angle d’incidence , la relation (2.2) conduit à :
 (2.3)
Deux cas se présentent :
• si 
, on dit que le milieu (1) est plus réfringent que le milieu (2) ; l’angle de
réfraction est grand : le rayon réfracté s’éloigne de la normale
Figure 2.2
• si  , on dit que le milieu (1) est moins réfringent que le milieu (2) ; l’angle de
réfraction est petit : le rayon réfracté se rapproche de la normale
i
r
T
I
S

4
Figure 2.3
2.3.2. Emergence rasante et réflexion totale
Dans le cas où  , il existe un angle limite   pour lequel le rayon réfracté
s’écarte de la normale et l’angle de réfraction atteint la valeur   (c’est l’émergence
rasante) ; la relation (2.2) conduit à :
(2.4)
Nous en déduisons les cas suivants :
• Lumière tombant avec un angle  : une fraction de la lumière est réfléchie et la
majeure partie est transmise
Figure 2.4
• Lumière tombant avec un angle : l’angle de réfraction  et l’intensité de la
lumière transmise tend vers zéro. On parle d’émergence rasante
N
i
r
S
T
I
i
r
T
I

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Figure 2.5
• Lumière tombant sous un angle : toute la lumière est réfléchie. On parle alors de
réflexion totale
Figure 2.6
2.3.3. Applications de la réflexion totale
2.3.3.1. Prisme à réflexion totale
Ce dispositif, très employé, consiste en un prisme (nous verrons la définition d’un
prisme au Chapitre 4) dont la base est un triangle rectangle isocèle. Il est en verre aussi
transparent que possible. On admet que le prisme d’indice  est plongé dans l’air d’indice 1.
Figure 2.6
C
F
D
E
r
T
I
i
I
A
B
S