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TS Cours Physique Chap 9 Le modèle des rayons de lumière 1. Objectif * Essayer de comprendre la nature de la lumière, question qui a été l’objet de nombreux débats entre physiciens depuis plus de 2000 ans. * Utiliser la notion de modèle pour interpréter des faits expérimentaux. Montrer les possibilités et les limites d’un modèle particulier et la nécessité d’en changer lorsque les observations expérimentales l’exigent. 2. Situation expérimentale : la boîte noire, le bol et la pièce a) Après observation par le trou A, que voyez-vous dans cette « boîte noire » ? A b) On ouvre la boîte. Que contient-elle ? c) Comment est-ce possible ? Proposer sur le schéma de droite une explication géométrique de la situation (dessin) d) Proposer des expériences très simples pour observer le contenu de la boîte noire sans « se tromper » : Dessiner vos propositions ci-contre : A e) Pour quelle raison physique la boîte noire est-elle tapissée de papier noir mat à l’intérieur ? f) Dans la situation suivante, placer vos yeux de façon à ne pas distinguer la pièce de monnaie située au fond du bol, mais juste à la limite. Ajouter de l’eau dans le bol. Qu’observez-vous ? Proposer sur le schéma de droite une explication géométrique de la situation (dessin) bol 3. L’optique géométrique et le modèle des rayons de lumière a) Utiliser les résultats précédents pour expliquer ce qui se passe lorsque la lumière… Pièce * arrive « sur » un milieu noir mat : * arrive « sur » un miroir : * arrive à la surface de séparation eau / air : b) Quelques définitions : * On dit qu’un milieu est transparent s’il « laisse passer » la lumière donc s’il ne l’absorbe pas et ne la réfléchit (diffuse) pas. * On dit qu’un milieu est homogène si ses propriétés physiques sont les mêmes en tout point du milieu. * On dit qu’un milieu est isotrope si, en un point donné, ses propriétés physiques sont les mêmes dans toutes les directions. Exemple de milieu transparent, homogène et isotrope pour la lumière : Compléter : Dans un milieu transparent, homogène et isotrope, la lumière se propage …………………………………… et les rayons de lumière sont …………………………. . Modèle : l’optique géométrique utilise le concept de rayon de lumière qui permet d’interpréter les phénomènes de propagation, de réflexion et de réfraction de la lumière à notre échelle. Applications du modèle : formations des ombres (éclipses, phases de la Lune…), formations des images à travers les instruments d’optique (jumelles, microscopes, lunettes astronomiques et télescopes…) 4. Limite de l’optique géométrique : phénomène de diffraction * Dessiner ce que l’on observe sur l’écran lorsque : a) Mise en évidence expérimentale Fente large 1) La fente est large 2) La fente est étroite LASER * Proposer sur le schéma de gauche une explication géométrique des 2 situations (dessin) Fente étroite Fente de largeur a variable Ecran b) Figures observées b.1. Fente large * Que signifie le terme « fente large » ? Donner la valeur minimum de la largeur de fente pour laquelle la figure observée sur l’écran est celle dite de « fente large » : amini = * Le principe de propagation rectiligne de la lumière est-il respecté lorsque la fente est large ? * Le modèle des rayons de lumière peut-il interpréter la figure observée sur l’écran lorsque la fente est large ? b.1. Fente étroite : figure de diffraction * Comment évolue la taille de la figure de diffraction observée sur l’écran quand on diminue la largeur de la fente ? * Le principe de propagation rectiligne de la lumière est-il respecté lorsque la fente est étroite ? * Le modèle des rayons de lumière peut-il interpréter la figure observée sur l’écran lorsque la fente est étroite ? Compléter : Les phénomènes de diffraction se manifestent d’autant plus que les ouvertures ou obstacles limitant les faisceaux de lumières sont ………………………………………… Csq : On ne peut pas « isoler » un rayon de lumière en diaphragmant le faisceau Laser car la propagation rectiligne de la lumière est mise en défaut lors de la traversée d’obstacles de petites dimensions Rem 1: En remplaçant la fente rectiligne précédente par un obstacle circulaire (trou ou cache), la figure de diffraction est constituée d’anneaux concentriques, d’autant plus grands que l’obstacle est plus petit. Rem 2: Ces anneaux se retrouvent autour des phares de voitures (ou lampes de poche) sous forme de halos jaunâtres par temps humides (dans les films par ex). Ce sont ici les gouttelettes d’eau qui jouent le rôle d’obstacles sphériques. c) Modèle ondulatoire de la lumière Les phénomènes de diffractions s’interprètent très bien si on considère la lumière comme une onde. Ainsi, comme nous pouvons l’observer pour des vagues à la surface de l’eau (voir figure à droite), l’ouverture dans la jetée se comporte comme une source d’ondes circulaires. De même, la fente étroite se comporte comme une source émettant un faisceau divergent de lumière qui « s’étale » pour former la figure de diffraction. Photo satellite vagues 5. Conclusion : notion de modèles Le modèle de rayon de lumière est pratique pour représenter le trajet suivi par la lumière dans les instruments d’optique, c’est le domaine de l’optique géométrique ; mais ce modèle interprète mal le phénomène de diffraction (et d’interférences) de la lumière par des obstacles de petites dimensions, c’est le domaine de l’optique ondulatoire où l’on considère la lumière comme une onde. Evidemment, ce modèle ondulatoire de la lumière trouve aussi ses limites dès que l’on veut comprendre les interactions entre la lumière et la matière… il faudra donc choisir un modèle mieux adapté !
