I. Bref historique II. Caractéristiques de l`onde lumineuse

PCSI1Lycée Michelet
Introduction à l’optique : approche ondulatoire
I. Bref historique
La nature de la lumière a fait l’objet d’une controverse dès le XVIIeme siècle :
– Descartes puis Newton défendaient un modèle corpusculaire de la lumière
– Huyghens a développé une théorie s’appuyant sur un modèle ondulatoire de la lumière.
Descartes croyait sa vitesse infinie. Le premier à faire une mesure de la vitesse de la lumière fut
le danois Rømer, alors qu’il avait été recruté comme astronome à l’observatoire de Paris sous
Louis XIV. C’est en observant les éclipses de certains satellites de Jupiter qu’il put prouver la
vitesse finie (mais très élevée) de la lumière.
Au début du XIXeme, Young et Fresnel, en s’appuyant sur des expériences d’interférences et de
diffraction, purent mettre en évidence le comportement ondulatoire de la lumière.
Enfin à la fin du XIXeme, Maxwell fonde la théorie de l’électromagnétisme : la lumière est rat-
tachée à une bande de fréquence du spectre électromagnétique.
Mais bien sûr, cela ne s’est pas arrêté là. L’étude de certains phénomènes physiques entrèrent
ensuite en conflit avec le modèle ondulatoire (rayonnement du corps noir, effet photoélectrique).
Nous en reparlerons dans le cours d’introduction à la physique quantique. Ils ont eu pour effet
de faire ressurgir le modèle corpusculaire de la lumière : la lumière peut donc se comporter
suivant les expériences, soit comme une onde, soit comme un corpuscule.
II. Caractéristiques de l’onde lumineuse
1. Vitesse de propagation
Une onde lumineuse est une onde électromagnétique. Sa vitesse de propagation dans le vide
vaut donc :
c= 299 792 458 m.s−1
Si on utilise trois chiffres significatifs : c= 3,00.108m.s−1.
Les longueurs d’onde dans le vide, associées aux ondes lumineuses sont comprises entre 400 nm
(violet) et 800 nm (rouge), ce qui correspond à une bande de fréquence
c
λmax
,c
λmin 
soit entre 4.1014 Hz et 7,5.1014 Hz. On retiendra l’ordre de grandeur 5.1014 Hz.
Chaque longueur d’onde (et donc chaque fréquence) est associée à une couleur.
1

2. Nature du signal. Polarisation
Une onde électromagnétique est caractérisée par son champ
électromagnétique (−→ E , −→ B),−→ Ecorrespondant au champ
électrique et −→ Bau champ magnétique. Ces champs vibrent
dans une direction perpendiculaire à la direction de propa-
gation de l’onde (indiquée par ~u). On montre, de plus, dans
le cadre de la théorie de Maxwell, que (~u, −→ E , −→ B)forment
un trièdre direct. Les ondes électromagnétiques ont donc
une structure transverse.
Le caractère vectoriel du signal est lié à une caractéristique
supplémentaire de l’onde : sa polarisation.
Une onde est dite polarisée rectilignement lorsque la direction de vibration du champ élec-
trique ~ Ereste fixe.
Application : donner l’expression générale du champ −→ Ed’une onde électromagnétique plane
sinusoïdale, de pulsation ω, polarisée rectilignement suivant ~uyet se propageant dans le vide
dans la direction des xcroissants :
−→
E=
La lumière naturelle (produite par le Soleil,
les lampes qui nous entourent) n’est pas po-
larisée : le champ −→ Evibre dans toutes les
directions perpendiculaires à la direction de
propagation possibles. Un dispositif appelé
polariseur permet de sélectionner une direc-
tion particulière de vibration (correspondant
à la direction du polariseur). On obtient alors
une onde polarisée rectilignement.
lumière
naturelle polariseur
lumière
polarisée
rectilignement
2

Seule la composante du champ électrique colinéaire à la
direction du polariseur est transmise. Ainsi un champ
électrique perpendiculaire à la direction de polarisation
est arrêté par le polariseur. Nous reviendrons en TP sur
la polarisation de la lumière.
k−→ Ekk=k−→ Ek×
Exemples :
– Placer un polariseur devant un écran LCD 1. Tourner le polariseur, observer. Idem avec des
écrans de calculatrices. Conclusion ?
– Intérêt de la lumière polarisée en chimie : si une lumière polarisée traverse un milieu contenant
des molécules chirales (carbone asymétrique, voir cours χTS) la direction de polarisation
tourne.
3. Lien entre l’aspect corpusculaire et l’aspect ondulatoire
L’énergie d’une onde électromagnétique de fréquence ν, est véhiculée par des quanta d’énergie
appelés photons, de masse nulle, se propageant dans le vide à la vitesse de la lumière et d’énergie
Etelle que
E=hν
avec hla constante de Planck h= 6,63.10−34 J.s.
III. Sources lumineuses
1. Spectre
Le spectre d’émission d’une source lumineuse est la courbe donnant la répartition en fonction
de la longueur d’onde de l’énergie transportée par unité de temps et par unité de surface par
l’onde électromagnétique. Cette grandeur est encore appelée éclairement E.
Une onde purement monochromatique comporterait une seule raie spectrale. Mais cela impli-
querait un signal de durée infinie... Un spectre n’est jamais totalement monochromatique.
1. Pour plus d’information lire le chapitre "Les écrans à cristaux liquides" dans La physique par les objets du
quotidien, Cédric Ray, Jean-Claude Poizat, Ed Belin, ou bien l’article "Des valves à lumière dans les écrans",
Jean-Michel Courty, Edouard Kierlik, Pour la science Mars 2016,
3

2. Sources thermiques
Les sources thermiques (Soleil, lampe à incandescence) sont liées au rayonnement du corps noir
(voir programme de première). Elles présentent des spectres continus, avec un maximum
d’émission pour une longueur d’onde λmtelle que
λmT= 3,0.10−3m.K
Loi de Wien
Exemples :
– Soleil : température de surface T'6000 K, λm= 500 nm.
– Lampe à incandescence : T'2000 K, λm= 1500 nm (IR) ; les lampes à incandescence
rayonnent plus dans l’infrarouge que dans le visible.
– et nous ? T'300Kλm= 10 µm (IR)
3. Lampe spectrale
Les lampes au sodium utilisées pour l’éclairage public et qui produisent une lumière orangée
en constituent un exemple.
Une lampe spectrale est constituée d’un tube contenant un (ou plusieurs) élément chimique
sous forme gazeuse, et dans lequel on provoque des décharges électriques. Les électrons mis
en circulation par la décharge percutent les atomes du gaz et leur cèdent de l’énergie. Ceux-
ci passent alors dans un état excité et émettent de la lumière en repassant dans leur état
fondamental (phénomène d’émission spontanée).
Le spectre obtenu est discontinu (spectre de raies), les longueurs d’ondes des raies obtenues
étant caractéristique de l’élément chimique placé dans l’ampoule.
Remarque : Les raies spectrales ne sont pas infiniment fines. En augmentant la résolution
en fréquence, on peut faire apparaître une largeur ∆fqui est de l’ordre de la
dizaine de GHz (∆f
f'10−4), essentiellement due à l’agitation thermique des
atomes gazeux.
4

Les tubes néons, où les lampes dites "à économie
d’énergie" fonctionnent sur ce principe. Cepen-
dant on ajoute un revêtement fluorescent sur les
parois du tube qui va absorber la lumière produite
à l’intérieur du tube et la réémettre de manière
continue dans des longueurs d’onde plus faible. Il
reste malgré tout quelques composantes spectrales
qui altèrent un peu la qualité de la lumière pro-
duite. Spectre d’une lampe "à économie d’énergie"
4. Laser (Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation)
Le laser exploite le phénomène d’émission stimulée, décrit par Einstein en 1905.
Lorsqu’un atome est dans un état excité, l’arrivée d’un photon d’énergie hν =E2−E1provoque
l’émission d’un photon de même énergie. De plus l’onde associée est en phase avec l’onde inci-
dente : l’émission se fait de manière cohérente.
5