Lumiere-Optique

Unité IV
Optique
INTRODUCTION
Les premiers modèles (de l’ère des grecs) de la lumière s’intéressaient plus à
la source de lumière. Est-ce que la lumière est originaire des yeux ou de
l’objet? La théorie tactile était basée sur l’habileté des yeux de « toucher les
objets ». Selon Platon, la lumière est composée de filaments venant des
yeux. Lorsque ces filaments entrent en contact avec un objet, la vision est
établie. Une autre théorie de l’époque, la théorie d’émission, était l’opposée
de la théorie tactile. Elle énonçait que les objets envoient des rayons de
lumière qui ricochent des objets pour atteindre l’œil. La théorie d’émission
était généralement mieux acceptée que la théorie tactile.
Les deux théories de la lumière ayant présentement le plus de succès sont
celles de Sir Isaac Newton et Christian Huygens. Vers la fin du XVIIe siècle,
Newton nous proposa un modèle corpusculaire pour le comportement de la
lumière tandis que Huygens croyait qu’un modèle ondulatoire serait plus
approprié. Le modèle corpusculaire conçoit la lumière comme étant un
agrégat de particules projetées par les corps lumineux. Le modèle
ondulatoire propose que la lumière se propage et se comporte comme des
ondes.
Étant donné que nous sommes maintenant familier avec les caractéristiques,
la nature de la propagation et les comportements des ondes et que nous en
connaissons déjà beaucoup sur le comportement des particules, nous
sommes maintenant plus en mesure de critiquer ces deux modèles. Nous
regarderons à quelques comportements de la lumière pour ensuite voir si et
comment chacun des modèles proposés les expliquent.
En même temps, on regardera à des appareils optiques tels que le miroir et
les lentilles et autres pour voir comment ils utilisent les comportements de la
lumière pour rendre notre vie plus facile.
1. PROPRIÉTÉS ÉLÉMENTAIRES DE LA LUMIÈRE – EXPLICATIONS DES
MODÈLES
Propriété # 1 : La lumière se propage en ligne droite.
Modèle corpusculaire : Le modèle est acceptable si on assume que les
particules se déplacent à une très grande vitesse.
Modèle ondulatoire : Le modèle est acceptable pour soit un front d’onde
rectiligne ou circulaire car la direction de propagation est droite
(perpendiculaire au front d’onde) tant que le milieu demeure uniforme.

Propriété # 2 : Des pinceaux de lumière peuvent se croiser sans changer
de direction ou d’intensité.
Modèle corpusculaire : Même des petites particules entreront en
collision pour se diffuser en toutes directions. Le modèle n’est pas
tellement acceptable.
Modèle ondulatoire : Les ondes peuvent se traverser et poursuivre leur
chemin avec la même forme et la même vitesse qu’elles avaient avant
l’interaction. Le modèle est très acceptable.
2. LA RÉFLEXION
Voir activité sur « Étude du miroir plan et de la réflexion »
Propriété # 3 : La lumière envoyée vers une surface pourra être
réfléchie selon deux lois de la réflexion dont une dit que l’angle
d’incidence (l’angle entre le rayon et la normale à la surface
réfléchissante au point d’incidence) = l’angle de réflexion (l’angle entre
la normale et le rayon réfléchie). L’autre indique que les rayons incident
et réfléchis et la normale à la surface se trouvent dans le même plan
appelé le plan d’incidence.
Noter que la réflexion sur un miroir veut dire qu’un faisceau de rayons
parallèles sera réfléchi en un faisceau de rayons parallèles comme dans la
figure à gauche. La réflexion diffuse a lieu de surfaces qui ne sont pas
lisses comme dans celle à droite.
Modèle corpusculaire : Une particule subissant une collision élastique
avec une surface réfléchissante est réfléchie de sorte que l’angle de
réflexion = l’angle d’incidence. Le modèle est donc très acceptable.
Modèle ondulatoire : Une onde incidente frappant un obstacle
quelconque est réfléchie de sorte que l’angle de réflexion = l’angle
d’incidence. Le modèle est donc très acceptable.
Formation d’une image par un miroir plan :
Voir les résultats de votre étude du miroir plan.
a) L’image d’un point se trouvant en avant d’un miroir plan est formée
par l’extension des rayons de lumière venant de ce point et non par les
vrais rayons comme dans le cas d’une image réelle que l’on verra
plus tard. Pour cette raison elle est appelée une image virtuelle.

b) L’image virtuelle du point se trouvera aussi loin en arrière du miroir
que le point objet se trouve en avant.
c) L’objet et l’image se trouveront sur une droite qui les rejoint de façon
perpendiculaire au miroir.
d) Pour un objet étendu, trouve l’image de ses extrémités et rejoint-les
pour avoir une image de l’objet.
e) Note que l’image virtuelle aura la même grandeur que l’objet.
f) Note aussi qu’un miroir plan renverse la droite et la gauche mais non
le haut et le bas.
Exemples :

3. LA RÉFRACTION
Voir activité sur « La réfraction »
Propriété # 4 : La lumière envoyée vers une matière transparente pourra
être transmise dans cette matière mais subira une déviation de sa
trajectoire au moment où elle traverse d’un milieu à l’autre. Cette
déviation de sa trajectoire se nomme la réfraction. La réfraction
respectera les lois de la réfraction suivantes :
a) le rapport de sin i / sin r est une constante quelle que soit la valeur de
l’angle d’incidence. (Noter que i/r reste constant pour des angles
d’incidence < 15° et il augmente progressivement pour les angles
compris entre 15° et 90°.) Ceci est la loi de Snell. Cette constante est
l’indice de réfraction (n) du milieu par rapport à l’air.
nx = sin Θair/sin Θx. Noter que cette équation est seulement valable
lorsque la lumière passe dans ou d’un milieu X par rapport à l’air (ou
le vide). Dans ce cas, l’indice de réfraction est appelé l’indice de
réfraction absolu.
b) Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale à la surface de
séparation des deux milieux transparents sont tous deux dans le même
plan.
Modèle corpusculaire : Pour l’arrangement ci-contre,
lorsqu’on envoie une bille à un angle d’incidence, i,
entre 0 et 90, la bille subit une réfraction en passant au
niveau inférieur où sin i / sin r est une constante comme
pour la lumière. Ce modèle appuie donc la loi de Snell.
Modèle ondulatoire : Nous avons déjà vu que les ondes
subissent une réfraction lorsqu’elles passent d’un milieu
à un autre d’une différente profondeur. Ce modèle
appuie aussi la loi de Snell.
Voici un peu plus d’information en ce qui concerne la réfraction de la lumière au
travers de différents matériaux transparents.
Matériel Indice de réfraction
Eau 1,33
Verre 1,5 à 1,9 (dépendant de
la composition minérale)
Diamant 2,42
Exemple 1: Un faisceau lumineux pénètre dans un récipient rempli d’un
liquide inconnu avec un angle d’incidence de 30,0°. L’angle de réfraction
dans le liquide est de 23,0°. Calcule l’indice de réfraction du liquide.

Propriété # 5 : La lumière subit un ralentissement en passant d’un
milieu transparent à un autre plus dense selon le rapport suivant :
n1-2 = sin i = v1
sin r v2
Modèle corpusculaire : Dans le diagramme à la page précédente, la bille
atteindra une vitesse plus élevée au niveau inférieur ce qui contredit la
réalité. Selon le modèle corpusculaire, sin i = v2 et non v1
sin r v1 v2
Ce modèle fait évidemment défaut dans l’explication de ce qui arrive à la
vitesse de la lumière en passant d’un milieu à un autre plus dense.
Modèle ondulatoire : Ce modèle prévoit correctement un changement
dans la vitesse de la lumière selon l’équation sin i = v1
sin r v2
Propriété # 6 : Lorsque la lumière entre en contact avec une matière
transparente, elle sera partiellement réfléchie, partiellement transmise (et
donc réfractée) et même partiellement absorbée.
Modèle corpusculaire : Il faudrait que les particules de lumière arrivant
à la frontière des deux milieux fassent un choix de soit être réfléchies ou
transmises. Comment les particules font-elles ce choix? Même Newton
était d’accord avec la faiblesse de son modèle dans l’explication de cette
propriété.
Modèle ondulatoire : Ce modèle n’a aucun problème à expliquer ce
comportement avec soit les ondes en une dimension (d’un ressort à un
autre de différente densité) ou les ondes en deux dimensions (passant
d’un milieu à un autre de différente profondeur).
Exercice :
1. Dans le dessin ci-dessous, quel est l’angle d’incidence? l’angle de
réfraction ?