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Travaux Pratiques de Physique Optique 1 : optique géométrique Service de Physique Biomédicale Université de Mons Plan Rappel Théorique Réflexion Réfraction Réflexion totale Manipulation Miroir / Lame à faces parallèles / Prisme Précaution d’emploi et astuces. Rappels Théoriques Principe de l’optique géométrique : 1. La lumière se propage sous forme de rayons lumineux Un rayon lumineux se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent 2. Rappels Théoriques Réflexion de la lumière : normale Angle d’incidence (i1) = angle de réflexion (i2) Attention les angles i1 et i2 sont mesurés par rapport à la normale au miroir! Rappels Théoriques Rayon réfléchi i i Rayon incident a Que vaut l’angle incident î par rapport à l’angle â ? a = i+i=2i i = a/2 L’angle incident vaut la moitié de l’angle formé par les rayons réfléchi et incident Rappels Théoriques Réfraction de la lumière : Quand un rayon lumineux passe d’un milieu 1 à un milieu 2, il est dévié. milieu 1 normale milieu 2 i r n1 sin i n 2 sin r i est l’angle d’incidence et r est appelé l’angle de réfraction. Rappels Théoriques Réfraction de la lumière : n1 est appelé l’indice de réfraction du milieu et n2 l’indice de réfraction du milieu 2. Ils dépendent de la vitesse de la lumière dans le milieu : ni c (i 1, 2 ) [valeur sans unité !] vi c est la vitesse de la lumière dans le vide (c=3 108m/s) et vi est la vitesse de la lumière dans le milieu i. Comme vi<c, on a toujours n>1 Exemples : n(eau)=1.33; n(verre)=1.5; n(air)~n(vide)=1 Rappels Théoriques Déviation de la lumière par un prisme : Newton (encore lui!) a montré que la lumière blanche était décomposée en ses différentes composantes colorées par un prisme En effet, l’indice de réfraction d’un matériau varie légèrement avec la couleur de la lumière, Le rouge est moins dévié que le bleu. Autre exemple de ce phénomène de dispersion, l’arc-en-ciel Rappels Théoriques Rappels Théoriques Réflexion totale : Lorsqu’on passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n1>n2), on peut assister au phénomène de réflexion totale. i n1 icrit Faisceau complètement réfléchi Au delà d’un certain angle d’incidence, appelé icritique, il n’y a plus de rayon réfracté, tout le rayon incident est réfléchi => réflexion totale n1 sin icrit n2 r rcrit=90° sin i crit n 2 sin 9 0 n2 n1 icrit arcsin n2 n1 Rappels Théoriques Réflexion totale : Applications du phénomène de réflexion totale : fibres optiques « emprisonnant » un faisceau lumineux, utilisées pour les télécommunications. Endoscopie médicale. Manipulation Plan de travail : - Laser + lentille divergente - Plateau + Feuille de papier - Matériel optique (miroir, prisme, lame à face parallèle) Manipulation Réflexion de la lumière : normale (1) Vérifier la loi de la réflexion avec le GRAND miroir (2) Attention, les angles sont mesurés par rapport à la NORMALE au miroir Manipulation Lame à faces parallèles : On envoie un rayon lumineux sur un parallélépipède de verre. Le rayon subit deux réfractions, en passant de l’air au verre, puis en passant du verre à l’air. Il est simplement translaté d’une distance t. 2ème réfraction 1ère réfraction Manipulation Lame à faces parallèles : Calculons la distance t ! n(verre)=1.5 sin i Q 1ère réfraction t r i-r ES co s r 2ème réfraction R e e ES t e sin i co s r r avec r arcsin 1 sin i n A vec i = 2 0 ° et e = 3 cm , r = 1 3 .2 ° et t = 3 .6 m m [ex ercice n °5 d u syllab u s d e T P ] Manipulation Lame à faces parallèles : Vérifier la loi de la réfraction avec le rayon incident et le rayon ES. En déduire l’indice de réfraction du verre. milieu 1 Réfraction étudiée normale milieu 2 i r n1 sin i n 2 sin r Manipulation Lame à faces parallèles : Vérifier la loi de la réfraction avec le rayon incident et le rayon ES. En déduire l’indice de réfraction du verre. milieu 1 milieu 2 4 normale i r 1 3 2 n1 sin i n 2 sin r Manipulation Déviation de la lumière par un prisme : On peut utiliser l’évolution de en fonction de i pour calculer l’indice de réfraction n du matériau constituant le prisme. MIN i Manipulation Déviation de la lumière par un prisme : On peut utiliser l’évolution de en fonction de i pour calculer l’indice de réfraction n du matériau constituant le prisme. MIN sin A M IN 2 n sin A 2 i Manipulation Déviation de la lumière par un prisme : En pratique, on fait varier i, on mesure d, on fait le graphe fonction de i et on en déduit MIN. en 2 MIN 1 i Connaissant A, on calcule n : 3 sin A M IN 2 n sin A 2 Manipulation : Matériel Utilisation des lasers : Attention, on utilise des lasers => ce ne sont pas des jouets, ils peuvent être dangereux pour les yeux (et le reste). Les lasers sont fragiles (et coûteux) => les manipuler avec soin! Quand le laser est allumé, il ne faut pas l’éteindre avant la fin du laboratoire ! Ne pas bouger les lasers : bouger la lentille divergente pour mettre le faisceau à niveau Résumé 1. Vous allez vérifier la loi de réflexion. 2. En étudiant la réfraction par une lame de verre, vous déterminez n(verre) pour différents angles d’incidence. 3. Vous travaillez ensuite sur la déviation d’un rayon lumineux par un prisme. Après avoir fait le graphe en fonction de i, vous calculez n(verre). MIN i
