Terminale STI Optique Optique 1 Radiation lumineuse La lumière visible est l’infime partie de l’ensemble des ondes électromagnétiques auxquelles l’oeil est sensible. L’ensemble des ondes électromagnétiques émit par un corps se nomme le spectre électromagnétique. Spectre électromagnétique et décomposition de la lumière blanche c : célérité de la lumière dans le vide Relation fondamentale : c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1 cT c f : longueur d’onde (m) T : période (s) : fréquence (Hz) 1.1 Analyse La lumière blanche du soleil est en fait composée de l’ensemble de ces ondes visibles. On peut le constater lors de la dispersion de cette lumière (arc-en-ciel, prisme). D’autres lumières blanches peuvent être composée uniquement de quelques-unes de ces ondes. Une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence f ou sa longueur d’onde . A chaque fréquence correspond une couleur différente. Une lumière monochromatique est composée d’une seule onde (ex. laser). 1.2 Propagation Observation : dans l’air la trajectoire d’un faisceau lumineux est rectiligne. Définition : dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. © Claude Divoux, 2003 1/6 Terminale STI Optique On peut toutefois observer un phénomène de diffraction (ou effet de bord) lorsqu’un faisceau traverse une petite ouverture. 2 Optique géométrique 2.1 Réflexion et réfraction de la lumière Observation : un faisceau arrivant sur la surface de séparation entre deux milieux subit une déviation en deux faisceaux distincts. Définitions Plan d’incidence : plan formé par le rayon incident S1I et la normale N1N2 à la surface au point d’incidence I. Dioptre : surface de séparation des deux milieux transparents, à travers laquelle la lumière peut se réfracter. Indice de réfraction n : n © Claude Divoux, 2003 c v caractéristique d’un milieu défini par le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide par sa vitesse dans le milieu considéré. c et v en m.s-1 n sans dimension nvide = 1 nair 1 nmilieu non vide > 1 2/6 Terminale STI Optique Lois de la réflexion 1ère loi : loi du plan Le rayon réfléchi appartient au plan d’incidence 2ème loi : loi des angles Les angles d’incidence et de réflexion sont égaux : r i1 Lois de la réfraction 1ère loi : loi du plan Le rayon réfracté appartient au plan d’incidence. 2ème loi : loi des angles L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 vérifient la relation : n1 sini1 n2 sini2 où n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux. Remarque : ces lois sont souvent connues sous le nom de lois de Descartes ou lois de SnellDescartes. Elles ont été découvertes indépendamment par Snell (1580-1626) et Descartes (1596-1650). Quelques indices air : 1,003 – eau : 1,333 – Plexiglas : 1,49 – quartz : 1,544 – verre crow : 1,51 – verre flint : 1,75 – diamant : 2,417 Réflexion sur un miroir La réflexion sur un miroir obéit aux lois de la réflexion cités ci-dessus. © Claude Divoux, 2003 3/6 Terminale STI Optique Construction graphique des rayons réfracté et réfléchi Etape 1 Tracer 2 arcs de cercles de centre I (le point d’incidence) et de rayons respectivement proportionnel à l’indice n1 du milieu d’incidence et n2 du milieu de réfraction. Etape 2 Prolonger en pointillé léger le rayon incident à travers le milieu 2 sans le dévier. Il coupe le cercle de rayon n1 au point A. Etape 3 Tracer une droite passant par le point A et parallèle à la normale au point d’incidence I. Cette droite coupe le cercle de rayon n2 au point B et recoupe le cercle de rayon n1 au point C. Etape 4 Tracer le rayon réfracté (demi droite IB) et le rayon réfléchi (demi droite IC) Angle limite de réfraction Si l’indice n1 du milieu d’incidence est plus grand que l’indice n2 du milieu dans lequel pénètre le rayon, alors il existe un angle d’incidence limite au-delà duquel le faisceau incident est totalement réfléchi. La limite est atteinte lorsque i2 = 90 ° n Alors : sin i1limite 2 n1 © Claude Divoux, 2003 4/6 Terminale STI Optique 2.2 La fibre optique La fibre optique utilise ce principe. L’indice du milieu extérieur est plus grand que celui du milieu intérieur. Le faisceau lumineux, arrivant avec un grand angle d’incidence dans le milieu de la fibre, est totalement réfléchi sur la surface de séparation des deux milieux. De réflexion en réflexion, la lumière se propage alors sans perte jusqu’à l’autre extrémité de la fibre. Trajet lumineux dans une fibre optique à saut d’indice. épaisseur du plastique : 10 à 30 µm rayon extérieur de la gaine : 120 µm rayon di cœur : quelques µm à 50 µm profil à saut d’indice L’indice du cœur est constant dans tout l’épaisseur profil parabolique L’indice varie continûment du centre du cœur jusqu’à la gaine Source : Encyclopedia Universalis Les avantages de la fibre optique par rapport au câble électrique - la transmission est insensible aux perturbations électromagnétiques ; - inversement elle ne génère pas de perturbations électromagnétiques ; - pour une même section de câble, elle permet de transmettre beaucoup plus de données ; - la câble à fibre optique est plus léger et moins encombrant ; - il assure une isolation galvanique (électrique) l’émetteur et le récepteur. Par contre, la fibre optique ne permet pas de transporter de l’énergie comme le permet un câble en cuivre. © Claude Divoux, 2003 5/6 Terminale STI Optique Les lentilles minces Définitions et symboles : schéma - axe optique - centre optique - foyers - distance focale plan focaux - vergence V=1/f - (nombre d’ouverture). Rayons particuliers : Définition : un rayon passant par le centre optique d’une lentille n’est pas dévié. Définition : un rayon arrivant parallèle à l’axe optique sur une lentille passe par le foyer image pour une lentille convergente, ou semble provenir du foyer image pour une lentille divergente. Définition : un rayon arrivant sur une lentille en passant par le foyer objet d’une lentille convergente, ou convergeant vers le foyer objet d’une lentille divergente, ressort parallèle à l’axe optique. © Claude Divoux, 2003 6/6