1 - Moodle - INSA Lyon
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Ce qui est simple est faux, Ce qui est compliqué est inutilisable Paul VALERY 1 Sophie CASANOVA bat L. Néel (027) (face à la travée 2 du peigne) e-mail : [email protected] PHYSIQUE SEMESTRE 1 Cours intégralement sur Moodle (avec ???), page « physique lanière B Sem.1 » 2 Contenu - 1er semestre - Optique géométrique - Mesures : grandeurs, unités, incertitudes - Electricité - 2ème semestre : - Mécanique - (Introduction à l’) Electromagnétisme - 2éme Année: - Fin électromagnétisme - Ondes 3 Organisation au Semestre 1 (1/3) Cours (amphi, lanière) : 1h /semaine Travaux Dirigés (TD, groupe) : 2,5 h/semaine Travaux pratiques : 3h/semaine Variabilité (ex: semaine 2) Lien avec l’OMSI 4 Amphi Curie Mon bureau LP5 LP6 LP1 LP2 LP3 LP4 Le couloir caché (secrétaire, service CAP…) 5 Organisation au Semestre 1 (2/3) Contrôles (1er semestre) - 3 interrogations écrites (IE) : 1h, 1h30, 1h30 - Devoir de Synthèse (DS) : Janvier, 3 h - Contrôle des TP en manip de synthèse + en IE/DS Coef. Exacts en ligne sur la page moodle PHSIQUE 1A (en gros, 40% DS, 40% IE et 20% TP) 6 Organisation (3/3) Documents écrits : polycopiés (3 au premier semestre) - Optique - Mesures - Electricité Contenant tous : - les éléments de cours - des exercices faciles (niveau 1) : à faire seul - des sujets d’exercices, des anciens sujets d’interrogations écrites ou de devoirs de synthèse, des devoirs « maison » : pour travailler seul ou en TD - les sujets de TP ou de TP/TD 7 Exigences (1/3) Travailler le cours, à l’aide - du Poly - des transparents sur la page Moodle lanière B - de vos notes en amphi (???) - des exos niveau 1 - des QCM sur la page Moodle physique PCC1A Repérer ce qu’on n’a pas compris -> Poser des questions Repérer ses points faibles -> S’entrainer! 8 1700 1780 1800 1810 19eme 1820 1850 1860 1870 1880 1890 1895 20eme 1A S1 : optique géométrique + électricité 1A S2 : mécanique + électromagnétisme 2A S1 : électromagnétisme 2A S2 : Ondes et optique ondulatoire 1A S1 : chimie 1630 1650 18eme INSA = PHYSIQUE entre 1610 et 1930 17eme 1610 1905 192030 • Galilée, Kepler • Snell , Descartes • Pascal • Newton • Coulomb • Young • Malus, Fresnel • Biot, Savart, Laplace, Ampère, Faraday, Gauss • Wheatstone, Kirchhoff, Foucault • Maxwell. • Rayleigh • Michelson • Hertz • Roentgen, Perrin, Becquerel • Einstein • Planck, Bohr, Einstein, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE Fonctionnement : - électrostatique - électrocinétique - magnétisme ……... 1A S1 1A S2 2A S1 2A S2 Propagation des ondes : - ondes électromagnétiques - satellites : mécanique - fibres optiques : optique ……………….. 10 Objectifs • Développer des connaissances • Acquérir une démarche scientifique (Observation, questionnement, hypothèses, modélisation, expérimentation, retour sur hypothèse) • Entrainer votre esprit d’analyse, de synthèse, mais surtout votre esprit critique !! Apprendre à raisonner ! • … et à calculer juste! 11 Objectifs Ces objectifs seront évalués: - Exo « ouvert » , non guidés: - reconnaitre les phénomènes, - paramétriser les grandeurs utiles, faire des hypothèses simplificatrices et mener le raisonnement. Exemple: http://www.beebac.com/pg/publication/read/49998/diffusion-de-lalumiere-indice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexiontotale-refracti http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physiquea-main-levee-refraction-tpe-unisciel - 2 pts sur pertinence du résultat (homogénéité, ordre de grandeur, précision, …) 12 OPTIQUE GEOMETRIQUE … Pourquoi? 13 panneaux solaires 17eme 1610 1630 1650 CD 1700 Optique géométrique 1780 La fibre 1800 1810 laser 1820 … Suite de l’optique endoscopes 1850 1860 1870 Cristaux liquides 1880 1890 1895 Lecture codes barres 1905 Spectromètres 192030 • Galilée, Kepler • Snell , Descartes • Pascal • Newton • Coulomb • Young • Malus, Fresnel • Biot, Savart, Laplace, Ampère, Faraday, Gauss • Wheatstone, Kirchhoff, Foucault • Maxwell. • Rayleigh • Michelson • Hertz • Roentgen, Perrin, Becquerel, Curie • Einstein • Planck, Bohr, Einstein, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg Chap. I : BASES DE L’OPTIQUE GEOMETRIQUE I - Introduction : - optique = étude des phénomènes lumineux perçus par l ’œil Lumière Source (émetteur) Milieu (déviations) Récepteur ( Œil, appareil photo...) Si on voit un objet, c’est que de la lumière issue de cet objet arrive dans notre œil. 15 - Sources ????? - Milieux ???? - Récepteurs ???? - Quelles modèles pour la lumière??? (Quels mots utilisés pour décrire la lumière????) 16 3 descriptions pour la lumière : (historique à lire dans le poly!) - rayons (Descartes, Fermat, Newton : 17e) - ondes (Huygens, Fresnel, Maxwell : 19e) - photon (Planck, Einstein : 20e) (associés à 1 onde) 17 a) lumière = onde électromagnétique : Expériences décisives : interférences ??? + diffraction ???(Lire le poly!) onde progressive = perturbation périodique qui se propage à la vitesse v - dans le vide : v= c = ??? m/s (299 792 458 m⋅s-1) - ailleurs ??? - milieu homogène : propagation ???. (2A) La perturbation = un couple (E, B) ┴ à la direction de propagation et E ┴ B y E et B vibrent en phase Période T Fréquence f = 1/T Longueur d’onde = v T = v/f x Longueur d’onde 18 Ondes radio ) ( ~ 750 nm avec 1 nm = ??? m = ??? mm De + en + énergétique b) Propagation de l’onde dans un milieu matériel: vide milieu Notion de transparence : Si l’intensité lumineuse ne diminue pas dans le milieu, on dit que le milieu est transparent. Il n’y a pas d’absorption. (cf S2 2A) Notion d’ indice : vide c = 3.108 m/s n= vide 1 air 1,0003 milieu v = c/n avec n>1 indice du milieu n = c/v eau 1,33 verres 1.3-1.9 (dépend du verre et de la fréquence) Attention : = v T = v/f donc dépend du milieu!! = vide /n < vide Ce qui caractérise une radiation c’est donc sa fréquence ou sa longueur d’onde dans le vide !! 20 c) Photon Effet photoélectrique (Lire le poly!): Observations : 1839 Becquerel + 1887 Hertz Interprétation : Einstein 1905 (http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo%C3%A9lectrique) Discontinuité de l’apport d’énergie par la lumière. Photon d’énergie E E=hf h=6.62 10-34 JS : constante de Planck Méca Q : permet le lien entre l’aspect ondulatoire et corpusculaire. 21 d) Les sources - spectres: Polychromatiques Monochromatique: une seule fréquence (laser) 22 ANNEXE: Association spectres - sources Spectre continu d’émission (« corps noir » milieu chaud et dense) Ex: lampe a filament, soleil .. Spectre de raies d’émission (gaz chaud) Ex : lampe à vapeurs (Na, Cd, …) Spectre de raies d’absorption = gaz froid entre la source continue et l’observateur) II - Optique géométrique : 1) Intro - Ne prend pas en compte la nature physique de la lumière : ==> description sous forme de rayons - Rayon = trajet (idéalisé) suivi par la lumière depuis un point d'un objet lumineux = trajectoire du photon ou direction de propagation de l’énergie de l’onde. - ~ faisceau lumineux très fin mais de diamètre >> . Les dimensions du système sont >> (pas de diffraction cf. S2 2A) d S diaphragme x d Diffraction OK écran 0.5 mm x Attention: un rayon est invisible! Pq????? 26 Que savez vous sur le trajet de la lumière??? - ??? - ??? - ??? - Loi(s) ??? Vous savez déjà tout, ou presque, mais ça sort d’où?? 27 2) Principe de FERMAT : Principe de FERMAT : Le rayon lumineux suit toujours le chemin « qui prend le moins de temps » A n1 n2 d1 n3 d2 Temps pour aller de A à B: tAB = B d3 d1/v1 + d2/v2+d3/v3+… = (n1.d1 + n2.d2+n3.d3+…)/c Si le milieu est homogène, le temps pour aller de A à B: t = nd/c 28 Principe de FERMAT : Le rayon lumineux suit toujours le chemin tel que la durée du parcours soit extrémale (en général minimale!) - Application1: si n cst, propagation en ligne droite car L(AB) minimum pour une droite entre A et B - Application2: « principe » du retour inverse de la lumière: le temps de parcours est indépendant du sens de propagation de la lumière. - Application 3: Lois de Descartes! … 29 III - Lois de DESCARTES : 1 - Définitions : • Dioptre: Surface de séparation entre 2 milieux. • En rencontrant un dioptre, le rayon incident (=qui arrive) est en général en partie transmis (=rayon réfracté) et en partie réfléchi. • Le plan d’incidence est le plan contenant le rayon incident et la normale n au dioptre. • TOUS LES RAYONS SERONT REPERES PAR LEUR ANGLE AVEC LA NORMALE : n n 30 2 – Enoncé des lois de Descartes : Loi 1: le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan d'incidence Loi 2 : les angles d’incidence et de réflexion sont égaux 𝒊 = 𝒊′ Loi 3 : les angles d’incidence et de réfraction vérifient: 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊 = 𝒏𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝒓 De l’autre coté de la normale /rayon incident 31 2 – Enoncé des lois de Descartes : Si les angles sont non orientés: Loi 2 : les angles d’incidence et de réflexion sont égaux 𝒊 = 𝒊′ Loi 3 : les angles d’incidence et de réfraction vérifient: 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊 = 𝒏𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝒓 Si les anles sont orientés (tjrs de la normale vers le rayon!): Loi 2 : les angles d’incidence et de réflexion sont égaux ? ? ? Loi 3 : les angles d’incidence et de réfraction vérifient: ? ? ? 32 3 – Démonstration à partir du principe de Fermat : Principe de la démonstration des lois de Descartes avec le principe de Fermat: http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optigeo/fermat.html (Choisir n1=1.33, minimiser, observer les angles Choisir n1=1 , minimiser, observer les angles) « Avec les mains » : Dans le cas ci-dessus n1<n2 : la lumière va plus vite dans le milieu 1. Plutôt que de se propager en ligne droite entre A et B, le trajet est allongé dans 1 et raccourci dans 2, on dit que le rayon « se rapproche de la normale ». 33 3 – Démonstration à partir du principe de Fermat : z A et B fixes, cherchons M tel que t(AB) soit minimum, (M = dioptre ∩ rayon) A u1 i1 n 1 x O x H i2 u2 n2 B n1. AM n2 .MB t c c A (0,0,zA) B (D,0,zB) M (x,y,0) A et B fixes M à choisir pour vérifier le principe de Fermat chemin minimal ??? a) Montrons que y=0, c’est-à-dire que M appartient au plan de la figure (0,x,z) Soit H(x,0,0) projection de M dans le plan (0,x,z), t.c n1. AM n2 .MB n1. AH 2 MH 2 n2 . HB 2 MH 2 n1. AH n2 .HB Conclusion1 : le rayon lumineux est donc inclus dans le plan passant par A et B et orthogonal au dioptre : loi de Descartes N°1a 34 c.t n1. AM n2 .MB chemin minimal ??? z A u1 x O i1 n1 x M i2 u2 A (0,0,zA) B (D,0,zB) M (x,0,0) A et B fixes M à choisir pour vérifier le principe de Fermat n2 B b) c.t ( x) n1. AM n2 .MB n1. z A 2 x 2 n2 . z B 2 ( D x) 2 c.t '( x) n1. x z A2 x 2 n2 . Dx zB 2 ( D x)2 c.t '( x) n1 sin(i1 ) n2 sin(i2 ) Conclusion 2: 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊𝟏 = 𝒏𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝒊𝟐 : loi de Descartes N°3 35 c) Le même raisonnement avec C au lieu de B donne: - le rayon lumineux est donc inclus dans le plan passant par A et C et orthogonal au dioptre : loi de Descartes N°1b - 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊𝟏 = 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊′𝟏 → loi de Descartes N°2 A u1 i1 i’1 u’1 C n1 M - n2 Pq « extrémal? » http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optigeo/fermat.html 36 Faut-il apprendre les démonstrations du cours? Méthode: - Poser le pb (que sait-on? Que cherche-t-on?) - Faire un schéma (toujours!!!!!!) - « paramétriser » (ex: choisir des axes, des variables, des paramètres…) - Traduire le pb en équations - Calculer… - Conclure Il faut les travailler! 4 – Discussion, cas n2> n1: Le milieu 2 est + réfringent que le 1 ex : air eau n1 = 1, n2 = 1,33 Quelque soit i1, i2 < i1 : le rayon « se rapproche » de la normale http://dmentrard.free.fr/GEOGEBRA/Sciences/Physique/Optique/refraction.html Ex, en lumière « rasante », i1=90°, i2=asin(1/1.33)= 48,6° APPLICATION : Dans le verre n dépend de : n = f() n = a + b/2 (loi de Cauchy, cf 2A S2) n1=1 bleu ??? rouge nbleu ??? nrouge I2bleu??? i2rouge n2= f() Un rayon bleu est plus dévié qu’un rayon rouge dans le verre = Dispersion 38 i1 5 – Discussion, cas n2 < n1 Le milieu 1 est + réfringent que le 2 n1 n2 ex : eau air n1 = 1,33 , n2 = 1 i2 i2 > i1 : le rayon « s’éloigne » de la normale (Rq : Dispersion aussi) http://dmentrard.free.fr/GEOGEBRA/Sciences/Physique/Optique/refracreflexion.html i2 ne peut pas être > à 90°! Si n1.sin(i1) / n2 > 1 le rayon réfracté n’existe pas ! Il y a alors seulement un rayon réfléchi. = Phénomène de réflexion totale L’angle d’incidence limite i1limite est tel que i2=90° i1limite ?? i1limite = asin(n2/n1) ex : verre air i1limite = 41,8° Remarque: Le rayon réfléchi existe TOUJOURS, mais son intensité lumineuse est en général très faible (cf 2A S2) par rapport à l’intensité du rayon réfracté si i1 n’est pas trop grand, mais en cas de réflexion totale, par définition, 100% de l’intensité incidente est réfléchie. 39 IV - Applications: 1) Périscope (cf TD, exo 1.20) Prisme isocèle rectangle en verre (n ~ 1.5) Déviation à 90° Déviation à 180° Pourquoi la surface du prisme est-elle vue comme un miroir?? 40 2) - Fibres optique (cf TPTD1) 1 - saut d ’indice Réflexion totale 1 n 1 Pourquoi la lumière est-elle piégée dans la fibre ???? 41 2 - gradient d ’indice N, n’est pas constant , ex: n = f (z) 1) Mirage Si le trajet du rayon vérifie la figure ci contre, Comment varie n avec z? 2) Fibre à gradient d ’indice: Comment varie l’indice dans la fibre? 42 3) Lames à faces parallèles cf TPTD1 a - Définition : - ensemble de 2 dioptres dont les surfaces sont // - n1, n2 , n3 ==> 2 réfractions b - Cas général : n1 n3 n3 n2 n1 n1.sin(i1) = n2.sin(i2) n2.sin(i2) = n3.sin(i3) n1.sin(i1) = n3.sin(i3) résultat : - indépendant de n2 ! - même résultat avec un seul dioptre - mais déplacement i3 I i1 i2 J i2 application : séparation de deux fluides c - Cas particulier : n1 = n3 ==> i1 = i3 ==> rayon incident // rayon émergent 43 4) – Expériences de la pièce a) Apparition de la pièce dans le verre ??????? http://www.beebac.com/pg/publication/read/49998/diffusion-de-lalumiere-indice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexiontotale-refracti b) Disparition (et réapparition) de la pièce sous le verre. ???????? http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physique-amain-levee-refraction-tpe-unisciel 44 5) – Arc en ciel Quelques très belles images: http://www.atoptics.co.uk/rainbows/bowims.htm Avec les explications qui vont avec: http://www.atoptics.co.uk/bows.htm (Sur un superbe site de phénomènes d’optique atmosphérique : http://www.atoptics.co.uk/) 45 Quelques vidéos très claires sur le phénomène de l’arc en ciel : Formes et couleurs: (Film de 9 minutes, les 5 premières minutes sont plutôt historiques, les 4 dernières minutes sont véritablement sur les explications physiques). http://www.youtube.com/watch?v=r_hFjFM91C4 Autres aspects: 2eme arc, bande sombre d’Alexandre…. http://www.youtube.com/watch?v=AZsuZL89Tcs 46
