licence sciences vie terre. l1 boe

LICENCE SCIENCES VIE TERRE.
L1
BOE
Expédition dans la semaine n° Etape Code UE N° d’envoi de l’UE
48 2 UE_2_5 2
Physique (Électricité et optique)
-Contenu de l'envoi
cours d'optique
-Travail à effectuer
faire les exercices sur le manuel et lire le cours
-Coordonnées de l'enseignant responsable de l'envoi
Marcel Carrère
Institut de Neurosciences des Systèmes
INS-BDI-UMR1106
27 boulevard jean Moulin
Faculté de Médecine La Timone
13 385 Marseille cedex 5
tel: [phone] (Véronique Ayala)
tel: [phone] (Sonia Timourian)
U n i v e r s i t é d ’ A i x - M a r s e i l l e - C e n t r e d e T é l é - E n s e i g n e m e n t S c i e n c e s
Case 35. 3, place Victor Hugo. 13331 Marseille Cedex 03.
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Table des matières pour l'optique
0 Historique.....1
1 L’optique géométrique
1.1 La Lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 4
1.1.1 Propagation dans le vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Propagation dans les milieux matériels . . . . . . . . . . . . 6
1.2 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Principes et lois fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 8
1.3.1 Principe de Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Lois de Snell-Descrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 Conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 9
1.4 Les dioptres sphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Les lentilles minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.1 Relations de conjugaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.5.2 Constructions géométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 Grandissement transversal et longitudinal g, grossissement G
2 Le doublet
2.1 Foyers du doublet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .17
2.2 Grandissement du doublet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Tracés des rayons particuliers du doublet . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Points Principaux H et H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Formule de Gullstrand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Le Miroir
3.1 Miroir plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..26
3.2 Miroir sphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
3.3 Relation de conjugaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Construction des rayons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
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Histoire de l'optique
Toute histoire n'est jamais complète, elle est imparfaite comme notre mémoire, cependant elle suit
toujours une logique méthodologique. Le feu a toujours fasciné les hommes, mais s'ils l'utilisent puis
le maîtrisent, construisent des lampes à huile 17000 ans avant J.C. Et qu'Aristote décrit la lumière
avec une précision extrême, c'est Euclide(325-265 avant J.C.) qui va comprendre que de la lumière
circule entre l’œil et les objets, même s'il pensait que la lumière allait de l’œil à l'objet, il émet la
notions de rayons lumineux. L'erreur est corrigée par un scientifique arabe Al-Hazen ( 965-1040) qui
publie un traité d’optique expliquant que la lumière va de l'objet à l’œil. Pour faire avancer la
connaissance, il faudra attendre la fabrication de lentilles (Spinoza aimait les fabriquer) et Galilée
Galileo(1564-1642) les utilise comme lunette astronomique afin d'observer le ciel, et grâce à ses
observations, en déduira que la terre tourne autour du soleil, observera aussi les taches du soleil ou la
tache de Jupiter. C'est Descartes (1595-1650) qui va fournir les bases mathématiques de la réflexion
avec J.Kepler (1571-1630) en Allemagne, et un Hollandais W. Snell (1580-1626) qui, opposé à
Copernic présentera la réfraction. Quelques années après c'est Pierre de Fermat (160 ?-1665) qui va
énoncer le principe de chemin minimum, le chemin du rayon lumineux passe par un minima. C'est en
continuant les travaux de W. Snell que Christian Huygens (1629-1695) va émettre l’hypothèse d'ondes
lumineuses. Opposé à cette idée I. Newton(1643-1727) va donner une interprétation mécanique de la
lumière, c'est la vision corpusculaire qui va opposer pendant 300 ans partisans de la nature ondulatoire
aux partisans de la nature corpusculaire.
Thomas Young expérimente en 1801 la diffraction et les interférences de la lumière. En 1821,
Augustin Fresnel énonce que la conception ondulatoire de la lumière est seule capable d’expliquer de
façon convaincante tous les phénomènes de polarisation en établissant la nature transversale des ondes
lumineuses et en 1850, Léon Foucault fait prévaloir la théorie ondulatoire sur la théorie corpusculaire
newtonienne avec son expérience sur la vitesse de propagation de la lumière.
La dualité est là car les scientifiques s'affrontent alors que les deux notions, corpusculaire et
ondulatoire restent toujours valables. Augustin Fresnel (1788-1827) va apporter une précision
supplémentaire car en plus du caractère ondulatoire, il va montrer la polarisation de l'onde, et de plus,
qu'elle est une onde transversale. Il faudra attendre les travaux de James Clerk Maxwell (1831-1879)
pour expliquer mathématiquement le phénomène ondulatoire : il publie en 1873 un traité sur les ondes
électromagnétiques, définissant la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d'un
rayonnement, le spectre de ce rayonnement n'étant qu'une partie de l'ensemble du rayonnement
électromagnétique. On comprend alors que la lumière visible est une infime partie du spectre et W.
Rœntgen (1845-1923) apportera les rayons X avec la célèbre photo de la main de sa femme. Pour
compléter le spectre, il faut y ajouter la découverte des rayons gamma due à Paul Villard, chimiste
français (1860-1934).
Au début du vingtième siècle M. Planck va réunir les deux concepts en parlant de grain de lumière ou
photon, il interprète l'effet photoélectrique, sa célèbre constante fixe l'énergie d'un photon , fonction de
sa fréquence. Le français Louis De Broglie va dans le même sens en proposant l'onde associée, tout
corps se déplaçant possède une onde associée dont la longueur d'onde est fixée par la quantité de
mouvement.
Enfin pour illustrer un effet de la lumière, quand des projectiles (onde ou corpuscule) se déplacent
plus vite que la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu, c'est l’effet Tcherenkov qui était
connu depuis les travaux de Marie Curie de 1910 montrant que l'eau soumise à une source radioactive
produisait de la lumière. Jusqu'en 1926, l'explication admise était la fluorescence produite par des
solutés. Mais entre 1926 et 1929, Lucien Mallet analysant plus profondément la question remarqua
que le spectre lumineux produit était continu.
Même après la mécanique ondulatoire qui explique bien les niveaux d'énergie de l'atome, les deux
visions continuent de coexister et rien ne permet encore de comprendre la physique sous un seul
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angle. Des premières lampes naîtront les premières diodes, puis toute l'électronique, pendant la guerre
le développement du radar donnera naissance à l'industrie du four à micro-ondes, la technique avance
mais les deux concepts sont pour l'instant disjoints. Les physiciens aimeraient une théorie, une grande
unification qui permettrait de tout expliquer avec la même unique théorie. Actuellement, après le
modèle standard , la théorie des cordes s'affronte avec la géométrie non-commutative mais de
nombreux verrous subsistent. Beaucoup de travail reste encore à réaliser pour unifier les forces en
bénéficiant d'une théorie unique.
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Chapitre 1
L’optique géométrique
1.1 La Lumière
1.1.1 Propagation dans le vide
La lumière est une onde électromagnétique constituée de champs électrique
⃗
E
et magnétique
⃗
B
qui varient périodiquement dans le temps. Pour une onde sinusoïdale dans le
vide
⃗
E
et
⃗
B
sont perpendiculaires à la direction de propagation  k . Le trièdre
(
⃗
E
,
⃗
B
,
⃗
k
) est direct.
Si l’onde a une seule fréquence, elle est dite monochromatique.
Si l’onde a plusieurs fréquences, elle est dite polychromatique.
Il existe des sources mono et polychromatique.
Relation entre la longueur d’onde λ, la période T, la fréquence ν et la pulsation ω d’une onde :
Avec c la vitesse de la lumière dans le vide, c = 3.108ms 1
Fig. 1.2 – Onde en un point donné de l’espace
Pour observer la lumière il faut :
– une source mono ou polychromatique (lampe à incandescence, soleil, lampe spectrale, ...)
– un récepteur (œil, capteur CCD, écran, ...)
– un milieu propagateur (le vide, l’air, le verre, ...)
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