1 Un peu d`histoire 2 La lumière, une onde - Hachette
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8/07/03 16:46 Page 6 1. Bases de l’optique géométrique 1 1. Bases de l’optique géométrique Un peu d’histoire XI e siècle e siècle Le modèle balistique La lumière est constituée de particules émises par les sources et se propageant à des vitesses différentes suivant le milieu. XVII e siècle Le modèle ondulatoire La lumière est une onde analogue au son. Par analogie avec la propagation du son dans l’air, il doit exister un milieu appelé « éther » dans lequel la lumière se propage. © Hachette Livre – H Prépa / Optique, 1re année, MPSI-PCSI-PTSI – La photocopie non autorisée est un délit XIX e siècle Le modèle corpusculaire La lumière est constituée de quanta d’énergie appelés photons sans masse et se propageant à la vitesse de la lumière. Il y a dualité entre les deux modèles ondulatoire et corpusculaire. C’est la base de la mécanique quantique et de l’électrodynamique quantique. XX 6 faits importants Euclide (IVe-IIIe siècle avant J.-C.) • L’œil est la source de la lumière. • Théorie des miroirs. Alhazen (965-1039) • La lumière a une source extérieure à l’œil. • Étude expérimentale de lentilles et de miroirs. • Notion d’objet et d’image. Fabrication des premières lunettes dont celle de Galilée. Descartes (1596-1650) • Lois de la réflexion et de la réfraction. • Modèle corpusculaire : Une source lumineuse émet des particules réfléchies par les miroirs et traversant les milieux matériels à une vitesse dépendant de leur nature (plus grande dans un milieu transparent que dans l’air). Fermat (161-1665) • Principe de moindre temps Newton (1642-1727) • Lentilles non sphériques, prisme, miroir parabolique. • Théorie des couleurs. Huygens (1629-1695) • Modèle ondulatoire permettant de retrouver les lois de Descartes. • La vitesse de la lumière est plus grande dans l’air que dans un milieu transparent. Young (1773-1829) • Étude des phénomènes d’interférence. Fresnel (1788-1827) • Étude et théorie de la diffraction. Foucault • Mesure de la vitesse de la lumière dans l’eau. Elle est plus faible que dans l’air. • C’est le triomphe du modèle ondulatoire. Maxwell (1831-1879) • Théorie des ondes électromagnétiques dont la lumière fait partie. Expérience de Michelson et Morley (1887) : impossibilité de mettre en évidence l’éther. Einstein (1879-1955) • Théorie de la relativité permettant de s’affranchir de la notion d’un éther fixe. Planck (1858-1947) et Einstein • Théorie du rayonnement du corps noir. Tomonoga, Sehwinger et Feynman • Théorie de l’électrodynamique quantique. OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE époque siècle avant J.-C. Doc. 1. Galilée (1564-1642). 2 La lumière, une onde électromagnétique t0 2.1. Qu’est-ce qu’une onde ? Rappelons les propriétés d’une onde vue en terminale (doc. 3) : On appelle onde, le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu sans transport de matière : • une onde se propage, à partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes ; • la perturbation se transmet de proche en proche avec un transfert d’énergie sans transport de matière ; • la vitesse de propagation d’une onde est une propriété du milieu. Maxwell a formulé en 1873 les équations qui décrivent l’évolution des champs électrique E N et magnétique B N. Le comportement de ces champs regroupés sous le terme de champ électromagnétique est analogue à celui d’une onde mécanique. On retrouve, en effet, en particulier, le phénomène de diffraction caractéristique de la propagation d’une onde, lorsque la lumière rencontre une ouverture de petites dimensions (de l’ordre du micromètre). Puisque la lumière du Soleil et des étoiles nous parvient, ces ondes se propagent en l’absence de support matériel, contrairement aux ondes mécaniques. T t0 + – 4 n v l = vT T t0 + – 2 3T t0 + – 4 Les ondes électromagnétiques, dont la lumière fait partie, se propagent dans toutes les directions de l’espace, même en l’absence de milieu matériel. Une onde électromagnétique sinusoïdale est caractérisée par sa période T ou sa fréquence f (ou n) = indépendante du milieu traversé. Sa vitesse de propagation n est caractéristique du milieu traversé. Sa longueur d’onde l est définie par l = vT = . Sa valeur dépend du milieu traversé. 2.2. La lumière 2.2.1. Vitesse de propagation de la lumière dans le vide La première mise en évidence du caractère fini de la vitesse de la lumière date de 1676 : Olaf Römer montre, en étudiant l’occultation des satellites de Jupiter, que la lumière a une vitesse de propagation de 214 000 km . s–1 (erreur relative de 30 %). En 1849, Fizeau mesure la vitesse de la lumière à l’aide d’un dispositif à roue dentée nécessitant un miroir placé à une dizaine de kilomètres de la source lumineuse (doc. 4). 2e année e OPTIQUE ONDULATROIRE IV 1e année L’optique est un domaine de la physique extrêmement riche et fécond. Les théories successives ont permis le développement de la physique actuelle. Il est nécessaire d’en connaître les grandes lignes. Quelques noms à retenir Optique géométrique : Euclide, IVe siècle avant J.-C. Descartes, Fermat, Newton, e XVII siècle. Optique ondulatoire : Young, Fresnel, Maxwell, Michelson, XIXe siècle. Rayonnement du corps noir : Einstein, Planck, XXe siècle. t0 + T Doc. 3. Propagation de la houle Au cours du déplacement de l’onde de période T le morse a un mouvement circulaire mais reste en moyenne à la même place. © Hachette Livre – H Prépa / Optique, 1re année, MPSI-PCSI-PTSI – La photocopie non autorisée est un délit 2011455529-P005-P029•BAT miroir L 10 km source lumineuse Doc. 2. Lunette de Galilée. Doc. 4. Principe de la méthode de Fizeau. Doc. 5. Roue dentée. 7
