Cours - Le cours de physique

Chapitre polarisation. Cours
SPCL - ondes
le
T STL
La polarisation des ondes.
I. Expériences introductives.
a) Comparaisons de photographies du ciel et de l'eau réalisées sans puis avec filtre polarisant.
b) Observation du reflet de la lumière sur une table, à travers un filtre polarisant (tous les 180 °, le reflet est
fortement réduit).
c) Observation du ciel bleu, à travers un filtre polarisant (tous les 180 °, le bleu du ciel est plus sombre).
d) Observation d'une lumière quelconque à travers un filtre polarisant (en général, aucun effet n'est observé).
e) Observation d'une lumière laser à travers un filtre polarisant (en général, suivant l'angle, l'intensité du
faisceau laser est plus ou moins réduite et, tous les 180 °, elle est nulle).
nd
f) Observation d'une lumière quelconque après passage à travers un filtre polarisant suivi d'un 2 filtre
polarisant (s'ils sont dans la même direction, aucun effet n'est observé et s'ils sont croisés, l'intensité de la
lumière est nulle ; entre ces deux situations extrêmes, l'intensité de la lumière est plus ou moins réduite).
g) Observation d'un écran LCD à travers un filtre polarisant (suivant l'angle, la luminosité de l'écran est plus ou
moins réduite et, tous les 180 °, elle est nulle).
h) Observation d'un affichage de calculatrice à cristaux liquides dont on a retiré la couche supérieure à travers
un filtre polarisant (tous les 180 °, le contraste est inversé).
i) Observation d'une lumière quelconque après passage à travers un filtre polarisant suivi d'une solution de
nd
glucose puis d'un 2 filtre polarisant (si les deux filtres polarisants sont croisés, l'intensité de la lumière n'est
plus nulle ; c'est pour un autre angle que l'intensité de la lumière est nulle).
j) Observation d'une lumière quelconque après passage à travers un filtre polarisant suivi de différentes
nd
épaisseurs de scotch puis d'un 2 filtre polarisant (il apparait différentes couleurs suivant l'épaisseur de scotch).
k) Observation d'une lumière quelconque après passage à travers un filtre polarisant suivi d'une équerre en
nd
plexiglas puis d'un 2 filtre polarisant (il apparait différentes couleurs suivant les contraintes qu'a subit le
plexiglas).
Ces expériences peuvent être interprétées en considérant le phénomène de polarisation de la lumière.
II. La polarisation de la lumière.
La lumière est une onde électromagnétique, due à la variation d'un vecteur champ électrique E et d'un vecteur
champ magnétique B . Ces vecteurs sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde (et sont
perpendiculaire entre eux).
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La description du champ électrique E suffit à décrire l'onde (car on en déduit le champ magnétique B ).
La polarisation de l'onde dépend de la direction du champ électrique E . Quand ce champ électrique reste dans
un même plan, l'onde est polarisée rectilignement (c'est le cas ci-dessus, à gauche comme à droite).
La lumière naturelle est une superposition d'ondes dont les polarisations sont différentes et aléatoires. La
lumière naturelle n'est donc pas polarisée. (voir exp d)
Pour obtenir une lumière dont la polarisation est rectiligne, on peut la faire passer à travers un polariseur (tel
qu'un filtre polarisant, aussi appelé "Polaroïd") qui ne laisse passer le champ électrique que s'il est dans la
direction de ce polariseur.
nd
Si on place ensuite un 2 polariseur (alors appelé "analyseur"), la lumière est d'autant plus transmise que les
deux polariseurs sont dans la même direction et la lumière est d'autant plus absorbée que les deux polariseurs
sont croisés (directions perpendiculaires). (voir exp f)
(β)
(α)
(α)
(β)
Pour savoir si une lumière est polarisée rectilignement, il suffit de placer un polariseur (alors appelé "analyseur")
sur son trajet et d'observer s'il existe bien des positions qui absorbent totalement la lumière. (voir exp e et d)
Lors de la réflexion vitreuse (sur l'eau ou une autre surface non métallique), la lumière est partiellement
polarisée. (voir exp a et b)
Lors de la diffusion (par exemple dans le ciel), la lumière est partiellement polarisée. (voir exp a et c)
La lumière de nombreux lasers est polarisée. (voir exp e)
III. La modification du plan de polarisation.
Certaines espèces chimiques et certains matériaux font plus ou
moins tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée ;
on dit qu'ils ont une activité optique ou un pouvoir rotatoire.
Cette activité optique dépend généralement de leur épaisseur
d et de leur concentration. (voir exp i, j et k)
Ainsi, par polarimétrie, on peut déterminer la concentration de
certaines espèces chimiques telles que le glucose, le fructose
ou le saccharose (voir activités expérimentales).
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Les rubans de scotch font tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée mais de façon différente pour
chaque longueur d'onde. Ainsi, après un analyseur, différentes couleurs apparaissent suivant l'épaisseur de
scotch traversée. (voir exp j)
Le plexiglass fait tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée mais, en fonction des contraintes qu'il
subit, de façon différente pour chaque longueur d'onde. Ainsi, après un analyseur, différentes couleurs
apparaissent suivant les contraintes subies. (voir exp k)
Retenons que des couleurs peuvent apparaitre par polarisation.
Les systèmes d'affichage à cristaux liquides (écrans de calculatrice, écrans LCD …) utilisent le fait que les cristaux
liquides font plus ou moins tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée en fonction de la tension
électrique appliquée. On peut ainsi laisser passer la lumière ou non suivant la tension électrique appliquée (voir
activités expérimentales).
avec électrodes
avec électrodes
En l'absence de tension électrique,
le plan de polarisation de la
lumière tourne de 90 °, la lumière
est transmise.
En présence de tension électrique
appropriée, le plan de polarisation
de la lumière ne tourne pas, la
lumière n'est pas du tout transmise.
De la même façon, on peut réaliser des interrupteurs et modulateurs optiques en modifiant les propriétés
optiques d'un matériau (placé entre deux polariseurs) suite à l'application d'une tension électrique. Ceci est très
utilisé dans le domaine des télécommunications.