1 Un peu d`histoire 2 La lumière, une onde - Hachette

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Un peu d’histoire
L’optique est un domaine de la physique extrêmement riche et fécond. Les théo-
ries successives ont permis le développement de la physique actuelle. Il est
nécessaire d’en connaître les grandes lignes.
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© Hachette Livre – H Prépa / Optique, 1re année, MPSI-PCSI-PTSI – La photocopie non autorisée est un délit
1.Bases de l’optique géométrique
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La lumière,
une onde électromagnétique
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 ENet magnétique BN. 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 caractéris-
tique 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 propa-
gent en l’absence de support matériel, contrairement aux ondes mécaniques.
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 nest caractéristique du milieu traversé.
Sa longueur d’onde lest 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).
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1.Bases de l’optique géométrique
époque
IV
esiècle avant J.-C.
XI
esiècle
XVII
esiècle
Le modèle balistique
La lumière est constituée
de particules émises par
les sources et se propa-
geant à des vitesses diffé-
rentes suivant le milieu.
XIX
esiècle
Le modèle ondulatoire
La lumière est une onde
analogue au son.
Par analogie avec la pro-
pagation du son dans l’air,
il doit exister un milieu
appelé « éther» dans lequel
la lumière se propage.
XX
esiècle
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 ondula-
toire et corpusculaire. C’est
la base de la mécanique
quantique et de l’électro-
dynamique quantique.
OPTIQUE ONDULATROIRE
2eannée
OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE
1eannée
faits importants
Euclide (
IV
e-
III
esiècle 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) : impos-
sibilité 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.
Doc. 2. Lunette de Galilée.
l = vT
n
v
t0
t0 + T
t0 + T
–
4
t0 + T
–
2
t0 + 3T
–
4
Doc. 3. Propagation de la houle
Au cours du déplacement de l’onde
de période T le morse a un mouve-
ment circulaire mais reste en moyenne
à la même place.
Doc. 5. Roue dentée.
Quelques noms à retenir
Optique géométrique :
Euclide,
IV
esiècle avant J.-C.
Descartes, Fermat, Newton,
XVII
esiècle.
Optique ondulatoire :
Young, Fresnel, Maxwell,
Michelson,
XIX
esiècle.
Rayonnement du corps noir :
Einstein, Planck,
XX
esiècle.
L
miroir
10 km
source lumineuse
Doc. 4. Principe de la méthode de Fizeau.
Doc. 1. Galilée (1564-1642).
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