Test Optique - morissonphysique

Chapitre 12 : Optique (partie 7 du programme officiel)
Cours certaines sources proviennent de wikipédia
I- Ondes électromagnétiques
1/ Applications et ordres de grandeurs
Longueur d'onde
Domaine
> 10 cm
Radio
(150 kHz - 3 GHz)
De 1 mm à 10 cm
Micro-onde et radar
(10 cm - +- 1cm, 3 - 300 GHz)
De 1 µm à 500 µm
Infrarouge
De 400 nm à 700 nm
Lumière visible
Rouge (620-700 nm)
Orange (592-620 nm)
Jaune (578-592 nm)
Vert (500-578 nm)
Bleu (446-500 nm)
Violet (400-446 nm)
De 10 nm à 400 nm
De 10-8 m à 10-7 m
Ultraviolet
(400 - 280 nm)
De 10-11 m à 10-8 m
Rayon X
De 10-14 m à 10-11 m
Rayon γ
Décomposition de la lumière blanche par un réseau.
2/ Action d’un filtre
3/ Caractéristiques des ondes
Longueur d’onde :
Remarque : =c/f avec f en Hz
4/ Indice d’un milieu
Quelques indices
vide
air
eau
verre
1
1
1,33
1,5
II- Réflexion et réfraction
Un rayon lumineux est le trajet que parcourt la lumière entre deux points d’un milieu homogène et transparent.
1/ Réflexion
Le rayon SI est le rayon incident, le rayon IR est le rayon réfléchi et IN est la normal au miroir.
miroir
i
I
S
N

2/ Réfraction
Le rayon SI est le rayon incident et le rayon IR est le rayon réfracté.
Exemple : air-eau (1,33) avec un angle de
rayon incident égale à 60°.
3/ Réflexion totale appliquée à la fibre optique
Que se passe-t-il avec une réfraction, verre-air et i=60° ?
Fibre optique :
4/ Dispersion
Décomposition de la lumière par une réfraction qui dépend des longueurs d’ondes.
L'indice de réfraction d'un verre varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui provoque une dispersion chromatique.
D'après la loi de Cauchy, on a : n(λ) = a + b/λ²
où a et b sont des constantes dépendant du verre, soit, dans l'approximation des petits angles : D = ( a + b /λ²-1) Â
III- Optocoupleur
Grâce un émetteur et un récepteur optiques, on peut transmettre des signaux d’un circuit électrique à un autre isolé
galvaniquement du premier.
Expérience : grâce à un émetteur composé d’une DEL IR en série avec 1k alimenté avec GBF (100Hz, 10Vpp, offset 6,5V)
et un récepteur composé d’un phototransistor IR en série avec 1k alimenté en +15V. Montrer, avec synchronie, en prenant la
tension aux bornes de la résistance du récepteur, que le signal est transmis.
séparation entre les deux milieux
milieu d’indice n1
milieu d’indice n2
i2
i1
I
S
R
N

Cours correction certaines sources proviennent de wikipédia
I- Ondes électromagnétiques
1/ Applications et ordres de grandeurs
Longueur d'onde
Domaine
> 10 cm
Radio
(150 kHz - 3 GHz)
De 1 mm à 10 cm
Micro-onde et radar
(10 cm - +- 1cm, 3 - 300 GHz)
De 1 µm à 500 µm
Infrarouge
De 400 nm à 700 nm
Lumière visible
Rouge (620-700 nm)
Orange (592-620 nm)
Jaune (578-592 nm)
Vert (500-578 nm)
Bleu (446-500 nm)
Violet (400-446 nm)
De 10 nm à 400 nm
De 10-8 m à 10-7 m
Ultraviolet
(400 - 280 nm)
De 10-11 m à 10-8 m
Rayon X
De 10-14 m à 10-11 m
Rayon γ
Décomposition de la lumière blanche par un réseau.
2/ Action d’un filtre
Le filtre permet d’absorber une partie certaines couleurs (voir superposition de deux filtres complémentaires).
3/ Caractéristiques des ondes
Longueur d’onde : =cT avec c la vitesse de la lumière (3.108m/s dans le vide et l’air)
Remarque : =c/f avec f en Hz
4/ Indice d’un milieu
n=c/v avec v la vitesse de l’onde dans le milieu transparent
Quelques indices
vide
air
eau
verre
1
1
1,33
1,5
II- Réflexion et réfraction
Un rayon lumineux est le trajet que parcourt la lumière entre deux points d’un milieu homogène et transparent.
1/ Réflexion
Le rayon SI est le rayon incident, le rayon IR est le rayon réfléchi et IN est la normal
au miroir.
Le rayon réfléchi appartient au plan d’incidence SIN.
L’angle de réflexion par rapport à la normale au miroir est égal à l’angle du rayon
incident.
i=r
miroir
i
r
I
S
R
N

2/ Réfraction
Le rayon SI est le rayon incident et le rayon IR est le rayon réfracté.
Le rayon réfracté appartient au plan d’incidence SIN.
L’angle de réfraction est tel que n1sini1=n2sini2.
Exemple : air-eau (1,33)
3/ Réflexion totale – fibres optiques
verre-air  si, i>41,8°, pas de rayon réfracté : réflexion totale
Fibre optique :
La première étape est la réalisation d'un barreau de silice très pure, d'un diamètre de plusieurs centimètres. La composition au
cœur du barreau est adaptée de façon à modifier l'indice de réfraction du verre. On utilise en particulier le germanium pour
augmenter l'indice. Il existe différents procédés pour obtenir ce barreau: dépôt de couches dans un tube de quartz (CVD), dépôt
externe autour d'un mandrin (OVPO), dépôt axial (VAD). Tous font appel à des réactions en phase vapeur, ce qui permet
d'obtenir un matériau très pur. Les dopants sont injectés sous forme de chlorures (gazeux) dans le tube, oxydés au passage du
chalumeau, et les suies se déposent en aval du chalumeau. Un autre passage du chalumeau, à plus haute température, vitrifie le
dépôt obtenu. Le tube est ensuite assoupli par un chauffage plus fort, tout en restant en rotation, et se rétrécit lentement. Un
dernier passage du chalumeau, plus lent et soigneusement contrôlé pour éviter la formation de bulles, referme le tube.
Le barreau subit ensuite un étirage dans une tour de fibrage, en plaçant l'extrémité dans un four porté à une température voisine
de 2 000 °C. Il est alors transformé en une fibre de plusieurs centaines de kilomètres, à une vitesse de l'ordre du kilomètre par
minute. La fibre est ensuite revêtue d'une double couche de résine protectrice (cette couche peut être déposée par la tour de
fibrage, juste après l'étirement) avant d'être enroulée sur une bobine. Cette couche est particulièrement importante pour éviter
toute humidité, car la fibre devient cassante sous l'effet de l'eau : l'hydrogène interagit avec la silice, et toute faiblesse ou
micro-entaille est amplifiée.
4/ Dispersion
L’angle de réfraction dépend en fait de la couleur on peut donc décomposer la lumière blanche suivant les couleurs de l’arc-en-
ciel : c’est la dispersion.
Décomposition de la lumière par une réfraction qui dépend des longueurs d’ondes.
L'indice de réfraction d'un verre varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui provoque une
dispersion chromatique.
D'après la loi de Cauchy, on a : n(λ) = a + b/λ²
où a et b sont des constantes dépendant du verre, soit, dans l'approximation des petits angles :
D = (a + b/λ²-1) Â
III- Optocoupleur (voir TP)
Grâce un émetteur et un récepteur optiques, on peut transmettre des signaux d’un circuit électrique à un autre isolé
galvaniquement du premier.
manip de cours :
DELIR en série avec 1k alimenté avec GBF100Hz, 10Vpp, offset 6,5V (changer la forme du signal)
phototransistorIR en série avec 1k alimenté en +15V avec tension de la résistance en EA0 (synchronie ampli2, 10000points,
10µs, déclenchement permanent)
séparation entre les deux milieux
milieu d’indice n1
milieu d’indice n2
i2
i1
I
S
R
N

TP Optocoupleur
Grâce un émetteur et un récepteur optiques, on peut transmettre des signaux d’un circuit électrique à un autre isolé
galvaniquement du premier.
Emetteur : diode électroluminescente infrarouges.
Récepteur : phototransistor sensible aux infrarouges.
1/ Montage
Faire le montage suivant :
- circuit émetteur  DEL IR en série avec une diode 50mA (pour voir si le courant passe) et une résistance (de protection :
600) alimenté par un générateur continu 30V réglable.
- circuit récepteur  phototransistor en série avec une DEL rouge 20mA (pour voir si le courant passe) et une résistance (de
protection : 2,200) alimenté par un générateur continu 20V fixe.
2/ Caractéristique
Placer les appareils de mesure permettant de tracer is(ie) avec is l’intensité du récepteur et ie l’intensité de l’émetteur.
Faire les mesures et tracer la caractéristique de transfert en courant sur calculatrice puis sur feuille.
Ure
ie
Urs
is
0
0
0
0
1,7
0,0028
0,9
0,00041
4,7
0,0078
2,5
0,00114
7,6
0,0127
4,4
0,002
10,6
0,0177
6,4
0,00291
13,6
0,0227
8,4
0,00382
16,6
0,0277
10,5
0,00477
19,6
0,0327
12,5
0,00568
22,5
0,0375
14,4
0,00655
25,6
0,0427
16,2
0,00736
28,5
0,0475
18
0,00818
3/ Transmission de signaux binaires
a) Transfert d’informations en très basse fréquence
Remplacer le générateur continu de 30V par un GBF réglé sur 1Hz et
l’amplitude maximum.
Qu’observez-vous ?
b) Transfert d’informations en fréquence moyenne
Régler le GBF sur 1kHz.
Visualiser la tension du GBF à l’oscilloscope ainsi que l’intensité du
récepteur.
Représenter les signaux et conclure.
4/ Optocoupleur
L’optocoupleur intégré est un boîtier qui contient l’émetteur et le récepteur, il permet la transmission de signaux sans contact
électrique.
is = 0,1759ie - 0,0001
-0.001
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
is(ie)
collecteur
émetteur