PROPAGATION DE LA LUMIÈRE - Fichier

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PROPAGATION DE LA LUMIÈRE
1. SOURCES DE LUMIÈRE
Une source lumineuse est un corps qui produit et émet de la lumière :
- corps portés à haute température
flamme d’une bougie, filament d’une lampe, soleil, étoile, coulée de lave …
- corps à basse température
tube fluorescent, luciole, poisson des grands fonds
Un corps éclairé est un corps qui diffuse (renvoie la lumière dans toutes les directions) la lumière
qu’il reçoit d’une source lumineuse.
La lune, les planètes, les objets, ……
2. RÉCEPTEURS DE LUMIÈRE
Un récepteur est un corps sensible à la lumière
l’œil, la pellicule photographique, la cellule photoélectrique
3. PROPAGATION RECTILIGNE DE LA LUMIÈRE
Avec une lampe, éclairons un peigne posé verticalement sur une feuille de papier. Les traces de
faisceaux étroits apparaissent sur le papier. Ces faisceaux, appelés rayons lumineux, sont des
droites.
Conclusion : Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite.
4. DEFINITIONS
Les traces lumineuses sont appelées faisceaux lumineux.
Un rayon lumineux est un segment de droite suivi par la lumière.
Un faisceau lumineux est formé d’une infinité de rayons lumineux.
Applications : Alignement d’objets par laser
On dispose des objets en suivant le rayon laser. Cette méthode est utilisée
lorsque des alignements précis doivent être réalisés. Travaux dans les
tunnels, les mines, les ponts
Visée avec une boussole
Pour repérer la direction d’un objet par rapport au pôle Nord, on aligne les
encoches A et B de la boussole avec l’objet C.
5. EXERCICES
1. A l’aide d’une chambre noire cubique de 10 cm d’arête, on photographie un arbre situé
à 50 m. La hauteur de l’image est de 3 cm.
Quelle est la hauteur de l’arbre ?
2. On désire réaliser un spectacle d’ombres chinoises avec des personnages en carton
de 20 cm de hauteur placés à 1 mètre d’une source lumineuse ponctuelle S.
A quelle distance de la source doit-on placer l’écran pour obtenir des ombres de 50 cm
de haut ?
3. L’ombre d’une canne de 76 cm de hauteur, tenue verticalement, est de 26 cm.
Quelle est la hauteur de l’immeuble, à cet instant, si son ombre est de 10 m ?

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LOIS DE LA RÉFLEXION
1. LOIS DE LA REFLEXION
L’angle d’incidence i, l’angle de réflexion i’ et la normale sont dans un même plan.
L’angle d’incidence i et l’angle de réflexion i’ sont égaux
Définitions : L’image d’un point A est le point de rencontre, après passage dans le système
optique, de deux rayons issus de A.
L’image est réelle si les rayons se rencontrent réellement en A’
L’image est virtuelle si ce sont les prolongements des rayons qui se coupent en A’
2. MIROIRS PLANS
A partir des lois de la réflexion, construisons l’image d’un objet AB placé à 5 cm devant le
miroir.
Conclusion : L’image obtenue est symétrique par rapport à l’objet, droite, de même grandeur et
virtuelle non déformée.
3. APPLICATION
Le périscope est formé d’un tube doublement coudé à 90°. A l’intérieur des deux coudes, deux
miroirs plans A et B sont placés de telle manière qu’ils soient parallèles, face à face et aient une
inclinaison de 45°.
Rayon incident
Rayon réfléchi
i
i’
normale
A
B
A
B

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LOIS DE LA RÉFRACTION
1. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA REFRACTION
1.1. Observation
Le crayon plongé dans un récipient contenant de l’eau semble
brisé. Les rayons lumineux issus de la partie submergée du
crayon dévient en traversant la surface de l’eau en
s’approchant de la normale. Le crayon semble brisé car la
partie immergée semble être plus haute que le prolongement
de la partie dans l’air.
Quand la lumière émerge de l’eau dans l’air, les
rayons s’éloignent de la normale. Tout se qui est
dans l’eau paraît plus haut qu’il ne l’est
réellement.
Lorsque la lumière traverse une lame à faces
parallèles, la lumière est deux fois déviée
une première fois lors du passage de
l’air dans le verre
une deuxième fois lors du passage du
verre dans l’air
Le résultat est une translation du faisceau
lumineux
Définition : La réfraction est la déviation du rayon lumineux lorsquela lumière passe d’un
milieu à un autre.
1.2. Principe de l’expérience :
On dispose d’un plateau tournant muni d’un rapporteur de 360°, d’un demi-cylindre en verre
et d’une lampe. On place le demi-cylindre comme indiqué sur le dessin.
En faisant tourner le plateau, on peut faire varier l’angle d’incidence i de 0° à 90°
i
r
Normale
Rayon réfracté
Rayon incident
Rayon réfléchi
E
D
F
B
A
C

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Lorsque la lumière passe de l’air dans le verre, nous constatons que l’angle d’incidence i est
toujours supérieur à l’angle de réfraction r. De plus, pour un angle d’incidence de 90°,
l’angle de réfraction r prend une valeur maximale inférieure à 90°
Par contre lorsque la lumière passe du verre dans l’air, nous constatons que l’angle
d’incidence i est toujours inférieur à l’angle de réfraction r. De plus, il existe une valeur de
l’angle d’incidence pour laquelle il n’y a plus de réfraction mais une réflexion totale.
3. DISCUSSION DES DEUX CAS
A. Passage d’un rayon lumineux du B Passage d’un rayon lumineux du milieu 1
milieu 1 dans le milieu 2 moins réfringent dans le milieu 2 plus réfringent
Donc i < r Donc i > r
Dans ces conditions, il n’y aura pas Dans ces conditions, il y aura toujours
toujours réfraction et il existe un angle réfraction et l’angle maximum de
d’incidence limite pour lequel l’angle réfraction sera obtenu lorsque l’angle
réfracté vaut 90°. d’incidence vaut 90°
Si l’angle d’incidence est supérieur à i limite ,
il y a une réflexion totale.
Conclusions : chaque milieu est caractérisé par un nombre appelé indice de réfraction.
Le milieu sera d’autant plus réfringent que l’indice de réfraction est grand
4. LA FIBRE OPTIQUE.
Dans une fibre optique, l’information est transportée par la lumière.
Le rayon lumineux entre dans la fibre sous un angle d’incidence limite.
Il y aura une réflexion totale qui va se propager de proche en proche.
Cette fibre est en matière plastique ce qui permet de la courber.
Néanmoins, il existe une courbure maximale au-dessus de laquelle
il n’y a plus de réflexion totale.
Les fibres optiques servent à la
fabrication d’endoscopes,
de câbles téléphoniques
Ce câble de fibres optiques (blanc) permet la transmission simultanée d’un aussi grand nombre de
communications téléphoniques que le gros câble métallique (noir)
Rayon réfracté
Rayon incident
2
n
Normale
r
i
1
n
Rayon réfracté
Rayon incident
2
n
1
n
Normale
r
i

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LES LENTILLES SPHERIQUES MINCES
1. DEFINITIONS
Une lentille est un système optique en verre où en plastique transparent délimité par 2 surfaces
planes ou sphériques.
Exemples : loupe, objectif photographique, ...
On appelle rayon de courbure R le rayon de la sphère qui engendre la lentille
On appelle centre de courbure C le centre de cette sphère
On appelle axe optique le segment de droite qui relie les deux centres de courbure
On appelle diamètre de la lentille le segment qui relie les deux sommets de la lentille
On appelle centre optique O l’intersection du diamètre de la lentille et de l’axe optique
On distingue :
- les lentilles convergentes : si épaisseur du bord < épaisseur au centre
- les lentilles divergentes : si épaisseur du bord > épaisseur au centre
Axe optique
Diamètre de la lentille
R2
R1
C2
C1
Lentille Lentille Ménisque symbole
plan-concave biconcave divergent
Ménisque Lentille Lentille symbole
convergent biconvexe plan-convexe