TP n°14 - Physique

TP : Polarisation
Le but de ce TP est d'analyser la polarisation de la lumière et de mettre en évidence quelques
phénomènes qui peuvent la modifier.
I. Rappels sur la polarisation
1. Définition
La polarisation de la lumière est la direction du champ électrique dans un plan
perpendiculaire à la direction de propagation quand on regarde l'onde arriver.
La polarisation est une propriété du champ électromagnétique due à sa nature vectorielle.
2. Etats de polarisation
• Lumière polarisée ou non polarisée :
On dit que la lumière est polarisée si dans n'importe quel plan perpendiculaire à la direction
de propagation la direction du champ électrique est bien définie, c’est‐à-dire qu’elle ne varie
pas aléatoirement au cours du temps. Dans le cas contraire, on dit que la lumière n’est pas
polarisée ou non polarisée.
La lumière fournie par les lampes à incandescence est non polarisée, de même que celle
fournie par les lampes spectrales. Certains lasers fournissent quant à eux une lumière
totalement polarisée.
•Etats de polarisation d’une lumière polarisée :
La polarisation totale de la lumière peut être de trois sortes :
‐ polarisation rectiligne : la direction du champ électrique est constante au cours du temps et
de la propagation.
‐ polarisation circulaire : la direction du champ électrique tourne au cours du temps mais son
amplitude reste constante
‐ polarisation elliptique : la direction du champ électrique tourne au cours du temps avec une
amplitude non constante
Une polarisation circulaire ou elliptique est qualifiée de droite lorsqu’on la voit tourner dans
le sens horaire (donc vers la droite) lorsqu’elle nous vient dans l’œil.
Au contraire, une polarisation circulaire ou elliptique est qualifiée de gauche lorsqu’on la voit
tourner dans le sens trigonométrique (donc vers la gauche) lorsqu’elle nous vient dans l’œil.
Nous n’aborderons dans ce TP que le cas de la polarisation rectiligne.
II. Action d'un polariseur sur la lumière
1. Polarisation par dichroïsme
Pour obtenir une onde polarisée dans un état donné, et à défaut de source polarisée, on utilise
un polariseur, c’est-à‐dire un dispositif susceptible d’agir soit sur la lumière naturelle, soit
sur de la lumière dans un état de polarisation différent. Les polariseurs les plus utilisés sont les
polariseurs rectilignes, qui permettent de transformer la lumière incidente en lumière
polarisée rectilignement.
Principe du polariseur dichroïque :
Le dichroïsme correspond à l’absorption sélective de la lumière en fonction de sa direction de
polarisation. Il est à la base du polariseur rectiligne le plus couramment utilisé à l’heure
actuelle : le polaroïd ou polariseur dichroïque. Un polariseur dichroïque se présente sous la
forme d’une feuille en matière plastique de quelques dixièmes de millimètres d’épaisseur,
généralement de teinte gris neutre. Cette feuille est constituée de longues chaînes de
polymères étirées majoritairement dans une direction. Le polariseur dichroïque absorbe la
lumière lorsque celle-ci est polarisée selon la direction de l’axe des chaînes de polymères,
mais presque pas lorsque celle-ci est polarisée selon la direction perpendiculaire à l’axe des
chaînes de polymères, appelée axe passant du polariseur. De cette façon, l’absorption du
polariseur dichroïque dépend très fortement de la direction de polarisation.
Remarque : les polymères n’interagissent plus avec la lumière si la longueur d’onde de
celle‐ci est trop loin d’une transition électronique, ce qui explique le très mauvais
fonctionnement des polaroïds dans l’infrarouge.
2. Action d’un polariseur sur une onde non polarisée
Expérience : Placer un polariseur dichroïque entre une lampe blanche et un écran. Faire
tourner le polariseur dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde
lumineuse et observer l'intensité lumineuse sur l'écran. Que constatez-vous ?
Interprétation : La lumière provenant de la lampe étant non polarisée, la direction du
polariseur ne modifie en rien les observations faites à l’écran puisqu’il n’y a pas de direction
privilégiée dans la lumière incidente. Par contre, en sortie du polariseur rectiligne, la lumière
est désormais polarisée rectilignement selon la direction de l’axe passant du polariseur.
3. Action d’un polariseur sur une onde polarisée rectilignement
Expérience : En laissant le premier polariseur dichroïque P1 en place, placer un second
polariseur P2 dichroïque sur le trajet du faisceau. Tourner P2, et observer l'intensité lumineuse
sur l'écran. Que constatez-vous ?
Plus précisément, par combien de maxima et de minima passe l’intensité lumineuse lorsqu’on
fait un tour complet avec P2 ? Pour quelles valeurs d'angles entre P1 et P2 a-t-on ces extrema
? Que vaut l'intensité lumineuse des minima ?
Faire tourner P1 au lieu de P2, qu'observe-t-on ?
Interprétation : Le polariseur dichroïque P1 sert de polariseur, c’est-à‐dire qu’il permet
d’obtenir en sortie une polarisation rectiligne selon l’axe passant de P1. Le second polariseur
P2 sert d’analyseur, c’est-à‐dire qu’il ne laisse quant à lui passer que la projection de la
polarisation issu de P1 selon son axe passant : ainsi la lumière sur l’écran est maximale
lorsque les axes passants des deux polariseurs sont parallèles et minimale (extinction) lorsque
les axes passants des deux polariseurs sont perpendiculaires.
III. Analyse de la lumière par un polariseur
1. Analyse de la polarisation des sources usuelles
Expérience : Observer les différentes sources de lumière usuelles (éclairages, ciel, écran de
téléphone, d'ordinateur...). Lesquelles sont polarisées rectilignement, partiellement polarisées
et non polarisées ?
2. Loi de Malus
Expérience : Reprendre l'expérience du paragraphe I.3 en remplaçant l'écran par un luxmètre.
Mesurer l'intensité lumineuse I en fonction de l'angle θ entre les deux polariseurs.
Tracer à l'aide d'un tableur la courbe I(θ).
On écrit l'intensité lumineuse sous la forme I(θ) = I0 f(θ) où I0 est l'intensité lumineuse
maximale. Quelle fonction f modélise le mieux l'allure de l'intensité lumineuse ?
3. Lunette 3D
Expérience : Proposer et réaliser un protocole pour déterminer l'axe de polarisation de chaque
verre d'une paire de lunette 3D.
4. Polarisation par réflexion vitreuse
L’observation d’une scène quotidienne à travers un polaroïd permet de se rendre compte
qu’une quantité importante de la lumière naturelle (non polarisée) est polarisée par réflexion
sur des surfaces lisses diélectriques, c’est-à‐dire non métalliques (par exemple vitres,
peintures, matières plastiques, surfaces des liquides…). Si on observe soigneusement, on
constate que cette polarisation est partielle (on ne parvient pas à obtenir une extinction
complète comme c’était le cas dans l’expérience précédente), rectiligne selon la direction
parallèle à la surface.
Expérience : Envoyer une onde lumineuse plane non polarisée (le vérifier au préalable à l’aide
d’un polariseur dichroïque) sur un milieu homogène diélectrique (verre ou plastique). D’après
les lois de Snell-Descartes, le rayon incident donne naissance à un rayon réfléchi et à un rayon
réfracté. Nous nous intéressons ici à la polarisation de la lumière réfléchie. Placer un
polariseur dichroïque entre le rayon réfléchi et l’écran et observer l’intensité transmise en
fonction de l’orientation du polariseur dichroïque, qui sert ici d’analyseur. Que constatez-vous
? La lumière réfléchie est-elle polarisée rectilignement ? Faire varier l’angle d’incidence sur
le milieu homogène et montrer que pour une incidence particulière, appelée incidence de
Brewster ou angle de Brewster, on obtient une extinction totale avec l’analyseur.
Interprétation : L’expérience précédente nous permet d’affirmer que la lumière réfléchie est
polarisée rectilignement alors que la lumière incidente n’était pas polarisée : il y a donc
phénomène de polarisation par réflexion. Cette polarisation par réflexion est totale pour un
angle d’incidence particulier, appelé angle de Brewster, correspondant à un angle droit entre
le rayon réfléchi et le rayon transmis.
Grâce à la relation de Snell-Descartes, on peut calculer la valeur de l’angle de Brewster :
Pour une réflexion air-verre : n1 = 1,0 et n2 = 1,5 => iB = 56°.
Application : en photographie, on peut utiliser un filtre polarisant (qui n’est rien d’autre qu’un
polariseur) pour éliminer les réflexions sur les surfaces vitrées, les reflet sur l’eau, la neige…
5. Polarisation par diffusion
Le phénomène de diffusion par des molécules, et plus généralement par des particules en
suspension, constitue une autre source de polarisation de la lumière naturelle. Lorsqu’une
onde se propage dans un tel milieu, elle provoque un mouvement oscillatoire forcé des
charges électriques des molécules (ou des
particules en suspension).
Ces dernières se comportent comme des
dipôles électriques oscillants qui émettent
un rayonnement polarisé dans des
directions
perpendiculaires
à
la
direction de propagation de l’onde
incidente.
(Cadre de la diffusion de Rayleigh, pour
laquelle la lumière bleue est beaucoup
plus diffusée que la lumière rouge).
Par exemple, partant de la lumière non
polarisée émise par le Soleil, la diffusion
permet d’obtenir dans certaines directions privilégiées une onde polarisée rectilignement.
Expérience : Eclairer une suspension de lait dans l’eau à l’aide d’un faisceau parallèle de
lumière blanche et observer simultanément la lumière transmise par la solution et la lumière
diffusée latéralement. On "voit" le faisceau qui traverse la solution, ce qui veut dire qu’il y a
diffusion par la solution. Le faisceau diffusé est bleu alors que le faisceau transmis par la
solution est orange/rouge. Utiliser un analyseur pour étudier la polarisation des lumières
transmise et diffusée. Que constatez-vous ?
Interprétation : L’interprétation qualitative de l’expérience précédente repose sur le
phénomène de diffusion par les particules microscopiques de la solution. On qualifie cette
diffusion de diffusion Rayleigh, car la taille des particules diffusantes, nommés dipôles, est
beaucoup plus faible que la longueur d’onde de la lumière incidente. La puissance diffusée en
diffusion Rayleigh est proportionnelle à 1/λ4 : la lumière bleue est diffusée plus efficacement
que la lumière rouge, ce qui explique pourquoi la lumière diffusée nous paraît bleue alors que
la lumière transmise est quant à elle rouge (car c’est ce qui reste de la lumière incidente après
avoir ôté la lumière diffusée). La lumière diffusée est polarisée rectilignement selon l’axe
d’oscillations des dipôles, qui est la direction verticale dans notre expérience.
Application : en photographie, on a vu qu’on peut utiliser un filtre polarisant pour éliminer
les réflexions sur les surfaces vitrées, les reflets sur l’eau, la neige… Ce filtre polarisant
permet également de réduire le voile atmosphérique en éteignant la composante polarisée
rectilignement de la lumière diffusée par l’atmosphère. On obtient ainsi des paysages
lumineux sur fond de ciel bleu profond.
6. Activité optique d'une substance chirale : polarisation rotatoire
Certaines substances, dites « optiquement actives » possèdent la propriété de faire tourner
d’un angle α le plan de polarisation d’une lumière incidente qui traverse la substance.
On distingue les substances :
- dextrogyres : l’observateur « voit » tourner l’analyseur dans le sens des aiguilles d’une
montre, sens choisi pour α algébriquement positif.
- lévogyres : l’observateur « voit » tourner dans le sens trigonométrique.
Le pouvoir rotatoire : l'angle α dépend de :
- la longueur d'inde de la lumière incidente
- la température T
- la longueur l de la cuve traversée
- la concentration massique C de la substance active
selon la loi de Biot : α = α0 l C
où α0 est appelé pouvoir rotatoire spécifique.
Quelques exemples de valeur du pouvoir rotatoire spécifique pour quelques sucres :
Substance active
α0 (°.mL.g-1.dm-1) à λ = 589,3 nm
α-D Glucose
+112
Fructose
-92,2
Expérience : Proposer et réaliser un protocole pour mesurer la concentration massique des
solutions proposées à l'aide de la loi de Biot.