amphi-optique-chapI - Moodle

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 C »
1
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
2
Amphi Turing
Mon bureau
LP5
LP6
LP1
LP2
LP3
LP4
Le couloir caché
(secrétaires, service CAP…)
3
Organisation au Semestre 1
(2/3)
Contrôles (1er semestre)
- 4 interrogations écrites (IE) : 1h, 1h30, 1h30, 3h
- Contrôle des TP en manip de synthèse + en IE
Coef. exacts en ligne sur la page moodle Physique 1A
(en gros, 40% DS, 40% IE et 20% TP)
4
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, des devoirs « maison » : pour
travailler seul ou en TD
- les sujets de TP
5
Exigences
(1/1)
Travailler le cours, à l’aide
- du Poly
- des transparents sur la page Moodle lanière C
- de vos notes en amphi (???)
- des exos niveau 1/applications directes
- des QCM sur la page Moodle physique PCC1A
- des « questions de révision » (check-list) sur Moodle lanC
Repérer ce qu’on n’a pas compris -> Poser des questions
Repérer ses points faibles -> S’entrainer!
-> S’entraider!
6
Contenu
- 1er semestre
- Optique géométrique
- Mesures : grandeurs, unités, incertitudes
- Electricité
- 2ème semestre :
- Mécanique
- (Introduction à l’) Electromagnétisme
- 2éme Année:
- Fin électromagnétisme
- Ondes
7
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
………………..
9
Objectifs
1. Développer des connaissances
2. Acquérir une démarche scientifique
(Observation, questionnement, hypothèses,
modélisation, expérimentation, retour sur hypothèse)
3. Entrainer votre esprit d’analyse, de
synthèse, mais surtout votre esprit
critique !! Apprendre à raisonner !
4. … et à calculer juste! (OMSI)
10
Objectifs
Ces objectifs seront évalués:
- Exo « ouvert » , non guidés: (démarche scientifique)
- 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-la-lumiereindice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexion-totale-refracti
http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physique-a-mainlevee-refraction-tpe-unisciel
- qq pts sur pertinence du résultat (homogénéité, ordre de
grandeur, précision, …) (esprit critique)
11
OPTIQUE GEOMETRIQUE
… Pourquoi?
12
17eme
1610
La fibre
1630
1650
Optique géométrique
1700
1780
1800
CD
1810
laser
panneaux solaires
… Suite de l’optique
endoscopes
1820
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.
14
- Sources ?????
(primaire, secondaire ???)
- Milieux ????
(homogènes, inhomogènes???)
- Récepteurs ????
(numérique, analogique???)
- Quelles modèles pour la lumière???
(Quels mots utilisés pour décrire la lumière????)
15
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) (particule associée à 1 onde)
16
a) lumière = onde électromagnétique (2A):
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
17
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 !!
19
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 = particule sans masse, d’énergie E
E=hf
h=6.62 10-34
(f fréquence de l’onde)
JS : constante de Planck
Méca Q : permet le lien entre l’aspect ondulatoire et
corpusculaire.
20
d) Les sources
- spectres: continus/de raies, monochromatiques/polychromatiques
Polychromatiques
Monochromatique: une seule fréquence (laser)
21
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)
Attention: un rayon est invisible! Pq?????
25
Que savez vous sur le trajet de la lumière
- ???
- ???
- ??????
- Loi(s) ???
Rectiligne si homogène
Déviation si changement de milieu
Retour inverse
de Descartes
Vous savez déjà tout (ou presque) , mais ça sort d’où??
26
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
27
t = nd/c
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 d(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! …
28
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
29
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
30
3 – Démonstration à partir du principe de Fermat :
Principe de la démonstration des lois de Descartes avec le principe de Fermat:
http://www.maa.org/press/periodicals/convergence/historical-activities-for-calculus-module-3optimization-snells-law-and-the-principle-of-least-time
« 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 ».
31
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!
3 – Démonstration à partir du principe de Fermat :
z
Dioptre + A et B fixes, cherchons M tel que t(AB) soit minimum, (M = dioptre ∩ rayon)
A
𝑢𝑧  dioptre,
i1
O projeté de A sur dioptre
n
1
x
O
H
i2
x
O’
x
n2
B
D
t
n1. AM n2 .MB

c
c
durée minimale  ???
O’ projeté de B sur dioptre
𝑢𝑥 vecteur unitaire de OO’
𝑢𝑦 tq base orthonormée
A (0,0,zA)
B (D,0,zB)
M (x,y,0)
H(x,0,0) projection de M
dans le plan (O,x,z)
A et B fixes
M à choisir pour vérifier
le principe de Fermat
t.c  n1. AM  n2 .MB  n1. x 2  y 2  z A2  n2 . ( x  D ) 2  y 2  z B 2
Minimum pour y=???
Conclusion1 : le rayon lumineux est donc inclus dans le plan passant
par A et B et orthogonal au dioptre : loi de Descartes N°1a
33
c.t  n1. AM  n2 .MB
durée minimale  ???
z
A
i1
x
O
n1
x
M
i2
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
c.t ( x)  n1. AM  n2 .MB  n1. z A2  x 2  n2 . z B 2  ( D  x) 2
c.t '( x)  n1.
x
z A2  x 2
 n2 .
Minimum pour x=???
Dx
zB 2  ( D  x)2
c.t '( x)  n1 sin(i1 )  n2 sin(i2 )  0
Conclusion 2: 𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝒊𝟏 = 𝒏𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝒊𝟐
: loi de Descartes N°3
34
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
35
4 – Discussion, cas n2> n1:
ex : air  eau
Le milieu 2 est + réfringent que le 1
n1 = 1, n2 = 1,33
Quelque soit i1,
i2 < i1 : le rayon « se rapproche » de la normale
https://www.geogebra.org/m/wDJhT7m2
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
36
i1
5 – Discussion, cas n2 < n1
Le milieu 1 est + réfringent que le 2
n1
n2
ex : eau  air
i2
n1 = 1,33 , n2 = 1
i2 > i1 : le rayon « s’éloigne » de la normale (Rq : Dispersion aussi)
https://www.geogebra.org/m/wDJhT7m2
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.
37
IV - Applications:
1) Périscope (cf TD, exo 1.15)
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??
38
2) - Fibres optique (cf TPTD1)
1 - saut d ’indice
Réflexion totale
1
n
1
Pourquoi la lumière est-elle piégée dans la fibre ????
39
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?
Pq le rayon « remonte » ?
2) Fibre à gradient d ’indice:
Comment varie l’indice dans la fibre?
40
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 « décalage »
i3
I
i1
i2
J
i2
application : séparation de deux fluides
c - Cas particulier : n1 = n3
==> i1 = i3
==> rayon incident // rayon émergent
41
4) – Expériences de la pièce
a) Apparition de la pièce dans le verre
???????
http://www.beebac.com/pg/publication/read/49992/optique-physique-amain-levee-refraction-tpe-unisciel
b) Disparition (et réapparition) de la pièce sous le verre.
????????
http://www.beebac.com/pg/publication/read/49998/diffusion-de-lalumiere-indice-de-refraction-optique-physique-a-main-levee-reflexiontotale-refracti
42
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/)
43
Quelques vidéos 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). En anglais, très clair.
http://www.youtube.com/watch?v=r_hFjFM91C4
Autres aspects: (En anglais, la suite): 2eme arc, bande sombre d’Alexandre….
http://www.youtube.com/watch?v=AZsuZL89Tcs
Ou en français (e-penser) si l’anglais vous fait peur :
https://www.youtube.com/watch?v=WUh2BlsV_k0
44