COURS- LA LUMIERE - Ducros Prof
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http://ducros.prof.free.fr Secteur Sciences Son et Lumière Leçon N°1 La Lumière Introduction Il faut ici placer les bases de l’optique géométrique que les élèves vont être amenés à étudier tout au long des deux années de BAC PRO. Dans un premier temps, nous allons étudier l’émission et la réception de la lumière puis nous pourrons étudier les récepteurs. (Cette première partie sera assez brève car elle se trouve à la limite du programme de BAC). Nous verrons ensuite un aspect plus scientifique de la lumière, en étudiant la propagation de la lumière Les objectifs sont ici : Savoir distinguer les sources primaires des éléments diffusants. Citer différents récepteurs de lumière Savoir que la lumière se propage dans le vide et dans des milieux transparents. Savoir que la vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu traversé. Savoir que la lumière transporte de l’énergie. Définir l’indice de réfraction du milieu. Les pré-requis sont les suivants : Optique des classes de troisième Définition d’une vitesse physique. 1. Emission et réception de la lumière 1.1- Emission de la lumière Il existe plusieurs sources de lumière dite primaires. Parmi celles-ci, on trouve le soleil ou la flamme d’un feu de bois (sources naturelles), ou bien les lampes à incandescence lampes halogènes ou enfin les L.A.S.E.R. (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (sources artificielles). Document N°1 : Culture- Le Laser Création : Le principe de l’émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. En 1950, Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qui est validé expérimentalement par Broussel, Kastler et Winter deux ans plus tard. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier maser (maser au gaz ammoniac) est conçu par J. P. Gordon, H. J. Zeiger et Ch. H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N. G. Bassov, A. M. Prokhorov, A. L. Schawlow et Ch. H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. Townes, Brasov, et Prokhorov partagent le Prix Nobel de Physique en 1964 pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui mènent à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du Maser-Laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide. Utilisation industrielle : Les lasers trouvent très tôt des débouchés industriels. La première application fut réalisée en 1965 et consistait à usiner un perçage de 4,7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant avec un laser à rubis. Cette opération était réalisée en 15 min, alors qu’une application classique prenait 24 heures. En 1967, Peter Houlcroft découpe 2,5 mm d’acier inoxydable à une vitesse de 1m/min, sous di-oxygène avec un laser CO2 de 300 W et conçoit la première tête de découpe. Dans la même période en 1963 des chercheurs américains tels que White et Anderholm montrent qu’il est possible de générer une onde de choc à l’intérieur d’un métal suite à une irradiation laser impulsionnelle. Les pressions exercées sont de l’ordre de 1 GPa. Bien que les procédés soient démontrés, il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu’ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 1970. Et les premières plates formes industrielles sont implantées en France dès les années 80. Dès lors le laser s'impose comme un outil de production industriel dans le micro-usinage. Ses principaux avantages sont un usinage à grande vitesse de l'ordre de 10 m/min, sans contact, sans usure d'outil. Le Laser comme moyen de lecture : Le laser devient un moyen de lecture en 1974, avec l'introduction des lecteurs de codes barres. En 1978, les lasers discs sont introduits, mais les disques optiques ne deviennent d'usage courant qu'en 1982 avec le disque compact. Le laser permet alors de lire un grand volume de données. 224-01 : La Lumière et le Son (SL 3) Cours - SL3 1-4 http://ducros.prof.free.fr Secteur Sciences Remarques Le soleil ; Le soleil est le siège de réactions nucléaires qui maintiennent la matière solaire à une température très élevée. Sa surface dont la température est de 5800°C émet de la lumière. Les lampes à incandescence ; la première fût inventée par l’Américain EDISON en 1879. Lorsque le filament est parcouru par un courant électrique suffisamment important, il devient incandescent (sa température est alors proche de 2700°C) et il émet de la lumière. Les lampes à halogènes ; On peut accroître la durée de vie et le rendement d’une lampe à incandescence en ajoutant dans l’ampoule une petite quantité de gaz halogènes (Néon pour les tube de classe et Xénon pour les ampoules de voitures). Les LASERS ; un laser produit un faisceau lumineux étroit, quasi parallèle et de grande intensité.(Nous reviendrons plus tard sur le fonctionnement des lasers). 1.2- Réception de la lumière. Il existe trois types de récepteurs de lumière : les récepteurs physiologiques. Les récepteurs photochimiques. Les récepteurs photo électroniques. Document N°2 : Culture- L’œil Le récepteur physiologique le plus courant est aussi celui qui nous vient en premier à l’esprit. L’œil humain ne voit un objet que si il reçoit de la lumière provenant de cet objet. La lumière issue de cet objet traverse l’air entourant l’œil et arrive sur la rétine. La rétine comporte deux sortes de cellules sensibles à la lumière : les cônes et les bâtonnets (5 millions de cônes et 100 millions de bâtonnets environ). Les cônes sont sensibles à la lumière vive et à la couleur (vision diurne). Les bâtonnets sont sensibles à de faibles intensités lumineuses (vision nocturne) mais pas aux couleurs Nous reviendrons sur le fonctionnement de l’œil lorsque nous étudierons les lentilles minces. Le récepteur photochimique le plus courant est la pellicule photographique. Celle-ci contient des halogénures d’argent (essentiellement du bromure d’argent AgBr) qui se transforment lors d’une exposition à la lumière (réaction photochimique). Après traitement chimique (développement) on obtient un négatif qui permet de réaliser une photographie (tirage).(sur les négatifs les paries sombres représentent les parties lumineuses des objets). Il existe enfin plusieurs types de récepteur photoélectrique, parmi ceux-ci on trouve par exemple les photodiodes les photo-résistances et enfin les capteurs CCD. Les photo-résistances sont des conducteurs dont la résistance dépend de l’éclairement : de quelques méga ohms elle peut diminuer jusqu’à quelques centaines d’Ohms pour un éclairement correspondant à la lumière du jour. Le capteur CCD (Charge Coupled Device) comporte une mosaïque de cellules photosensibles M.O.S (Metal Oxyde Semiconductor). Chaque cellule appelée pixel (abréviation de l’anglais picture élément) accumule des charges électriques proportionnelles à l’éclairement reçu. 224-01 : La Lumière et le Son (SL 3) Cours - SL3 2-4 http://ducros.prof.free.fr Secteur Sciences 2. La propagation de la lumière Après dans cette première partie, que nous nous soyons intéressés à l’émission et à la réception de la lumière nous allons maintenant étudier les lois qui régissent le trajet de la lumière dans l’air qui nous entoure mais aussi dans l’eau ou bien dans le vide. Nous pourrons alors déterminer quelles sont les différences qu’il existe entre ces différents milieux. 2.1- La propagation rectiligne. Document N°3 : Expérience Afin de montrer et de démontrer que la lumière se propage d’une manière rectiligne dans un milieu transparent dot l’indice ne varie pas, nous pouvons effectuer l’expérience suivante : Matériel : - Un laser (source de lumière primaire). - une cuve transparente contenant de l’eau et de la fluorine - la brosse pour effacer le tableau contenant de la craie sous forme de poudre. Montage : Expérience : On pointe le laser vers la cuve et on secoue la brosse au dessus du faisceau. Observations : On remarque que dans l’air le faisceau se propage de manière rectiligne. On remarque que ce m^me faisceau est cassé lorsqu’il entre dans l’eau donc la trajectoire dépend du milieu traversé. Conclusions, ce qu’il faut retenir : La lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents. Dans tout milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. L’optique géométrique que nous allons étudier sera basée sur ce principe. En optique géométrique, un rayon lumineux se matérialisera, par une droite, la direction de propagation de la lumière dans un milieu transparent. Remarque : On peut facilement montrer que dans un milieu non homogène la lumière ne se propage pas de manière rectiligne. L’expérience est simple, il suffit de remplacer la cuve contenant de la fluorine par une solution saturée de sel dont la concentration diminue progressivement de bas en haut. On constate alors que la faisceau du laser n’est plus rectiligne mais légèrement incurvé vers le bas. C’st le principe des mirage que nous étudierons lorsque nous verrons les limites de l’optique géométrique (leçon N°3 les lentilles minces). 2.2- la vitesse de propagation. Longtemps on a pensé que l’émission et la réception de la lumière étaient deux phénomènes simultanés. En effet, la durée de propagation, entre l’émetteur et le récepteur, semblait être toujours nulle, ce qui laissait supposer une vitesse de propagation infinie. La première mesure de la vitesse effectuée par le danois Olaüs ROMER (1676) donna tort à DESCARTES (1596-1650) et raison à l’italien GALLILEE (1564-1642). Cette première mesure, à l’observatoire de Paris, donna une valeur de l’ordre de grandeur de la valeur retenue aujourd’hui. 224-01 : La Lumière et le Son (SL 3) Cours - SL3 3-4 http://ducros.prof.free.fr Secteur Sciences Important : La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu (quel qu’il soit) est appelé Célérité. Dans le vide cette célérité est une constante universelle : c = 299 792 458 m.s-1 Couramment, on prend la valeur approchée c = 3 108 m.s-1 Comme cette vitesse dépend du milieu traversé on donne aussi : Dans l’eau : c = 225 000 000 m.s-1 Dans le verre c = 200 000 000 m.s-1 2.3- indice de réfraction. Pour caractériser un milieu on utilise l’indice de réfraction. Important : L’indice de réfraction n d’un milieu transparent homogène est égal au quotient de la vitesse c de la lumière dans le vide par la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. n= c v L’indice de réfraction d’un milieu n’a pas d’unité. Il est toujours supérieur à 1. et est généralement inférieur à 3. L’indice est caractéristique d’un corps pur transparent. On appelle milieu non homogène, un milieu dont l’indice n’est pas le même en tout point de ce milieu. Dans un tel milieu, la lumière ne se propage pas en ligne droite. La lumière ayant la même vitesse dans l’air et dans le vide, l’indice de réfraction de l’air est très voisin de 1. 3. Synthèse Il existe plusieurs sources de lumière dite primaires. Parmi celles-ci, on trouve le soleil ou la flamme d’un feu de bois (sources naturelles), ou bien les lampes à incandescence lampes halogènes ou enfin les L.A.S.E.R. (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (sources artificielles). Il existe trois types de récepteurs de lumière : les récepteurs physiologiques. Les récepteurs photochimiques. Les récepteurs photo électroniques. La lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents. Dans tout milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. L’optique géométrique que nous allons étudier sera basée sur ce principe. En optique géométrique, un rayon lumineux se matérialisera, par une droite, la direction de propagation de la lumière dans un milieu transparent. La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu (quel qu’il soit) est appelé Célérité. Dans le vide cette célérité est une constante universelle : c = 299 792 458 m.s-1 Couramment, on prend la valeur approchée c = 3 108 m.s-1 Comme cette vitesse dépend du milieu traversé on donne aussi : Dans l’eau : c = 225 000 000 m.s-1 Dans le verre c = 200 000 000 m.s-1 L’indice de réfraction n d’un milieu transparent homogène est égal au quotient de la vitesse c de la lumière dans le vide par la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. c n= v La lumière ayant la même vitesse dans l’air et dans le vide, l’indice de réfraction de l’air est très voisin de 1. 224-01 : La Lumière et le Son (SL 3) Cours - SL3 4-4
