Licence STS – L1 SPM UE PHY1 Travaux dirigés d`optique 2014-2015

Licence STS – L1 SPM
UE PHY1
Travaux dirigés d’optique
2014-2015

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Sommaire!
Préambule ............................................................................................................................... 4!
I.!Généralités sur la lumière ................................................................................................ 5!
II.!Lois de la réflexion et de la réfraction .......................................................................... 11!
III.!Dioptre plan et dioptre sphérique ................................................................................ 20!
IV.!Lentilles minces .......................................................................................................... 24!
V.!Miroirs .......................................................................................................................... 30!
VI.!Systèmes optiques ....................................................................................................... 35!
Sujets d’examens 2012-2013 et 2013-2014 ......................................................................... 38!
Annexe 1 : Système d’unités ................................................................................................ 45!
Annexe 2 : Multiples et sous-multiples des unités SI .......................................................... 48!

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Préambule
Ce fascicule est un support aux séances de travaux dirigés d’optique. Il contient les textes
d’exercices répartis en 6 séries, les sujets d’examen de l’an passé, ainsi que des annexes sur le
système d’unités international et la notion d’analyse dimensionnelle.
• Certains textes d’exercices sont en fait des parties du cours traitées sous forme de TD.
Les résultats obtenus seront à savoir, au même titre que les notions et formules vues
pendant les séances de cours magistral.
• Certains exercices seront à traiter en dehors des séances de TD. Les corrigés de ces
exercices seront accessibles en ligne une semaine après la séance de TD
correspondante. Voir http://www.physique.univ-rennes1.fr/l1 et choisir la rubrique
Optique.
Ce recueil est le fruit d’un travail d’équipe sur de nombreuses années. Les énoncés ont été
rédigés pour la plupart par MM. Alain Le Comte et Jean-Paul Taché, aujourd’hui à la
retraite. Les ajouts et modifications récents ont été faits par les équipes pédagogiques
récentes. Cette année, l’équipe est constituée de :
SPM 1 : Philippe Nouet,
SPM 2 : Gabriel Delhaye,
SPM 3 : Julien Fade,
SPM 4 : Noé Ortega,
SPM 5 : Christophe Cappe,
SPM 6 : Marc Brunel,
SPM 7 : Soraya Ababou-Girard & Nicolas David,
MIEE 1 : Guy Ropars,
MIEE 2 : Sophie Carles,
MIEE 3 : Marco Romanelli,
MIEE 4 : Ayman Hallal,
MIEE 5 : Alexandra Junay & Céline Gouldieff
MIEE 6 : Soraya Ababou-Girard,
Quelques énoncés sont extraits de :
- Physique 3-Ondes, optique et physique moderne, D. Halliday, R. Resnick, J. Walker,
(Dunod, 2004), ou
- Physique tout en un, Collection j'intègre, Dir. B. Salamito, S. Cardini, D. Jurine, M.-N
Sanz (Dunod 2013).

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I. Généralités sur la lumière
Dans cette première série d’exercices, on aborde des notions liées aux ondes lumineuses telles
que la longueur d’onde, la fréquence, la célérité, l’indice de réfraction d’un milieu matériel, la
puissance et l’intensité lumineuse.
1. !
Le système international d’unités (SI) est le système d’unités de mesures légales françaises
depuis 1962. La valeur d’une grandeur physique peut s’exprimer sous différentes formes
utilisant les multiples et les sous-multiples des unités SI qui sont formés au moyen de préfixes
(voir tableau en annexe). Toutes les longueurs d’ondes sont données dans le vide.
1. La longueur d’onde du rayonnement infrarouge utilisé dans les télécommunications
optiques étant λ = 1,553 µm, l’exprimer en mm et nm. Calculer la fréquence de ce
rayonnement. Exprimer cette fréquence en Hz, puis en THz et en PHz.
2. Un laser émettant des impulsions lumineuses d’une durée τ = 95 fs, donner τ en s et en ps.
3. Le champ électrique associé à un faisceau laser utilisé en ophtalmologie vaut : E0 = 6,6
107 V/m. L’exprimer en MV/cm.
4. Soit une lumière de couleur bleue de longueur d’onde λ = 0,488 µm. Exprimer λ en nm,
calculer sa fréquence ν et l’exprimer en THz.
2. !
1. La pleine lune est visible grâce à la réflexion de la lumière du soleil. Combien de temps
s’écoule-t-il entre l’instant où la lumière quitte le soleil et celui où vos yeux
l’interceptent ? La distance entre la Terre et la Lune est de 3,8 105 km, et celle entre la
Terre et le soleil est de 1,5 108 km.
2. La distance minimale entre la Terre et Mars est de 56 millions de km. Combien de temps
mettent alors les ondes radio émises par le rover Curiosity pour nous parvenir ?
3. !
1) Calculer la vitesse v de propagation de la lumière dans l’alcool éthylique dont l’indice
de réfraction est n = 1,36.
2) La vitesse de la lumière dans la glace étant de v = 2,29.105 km.s–1, déduire la valeur de
l’indice de réfraction de la glace.
3) Calculer la longueur d’onde dans le verre (nverre = 1,49) d’une lumière dont la longueur
d’onde dans l’eau (neau = 1,33) est égale à 440 nm. Calculer la fréquence de cette
lumière. Quelle est sa couleur ?
4. !
Un faisceau lumineux cylindrique, de section droite S = 1,0 cm2, de longueur d’onde
λ = 0,532 nm et de puissance P = 10 W, éclaire perpendiculairement un écran.
1) Calculer l’intensité de la tache lumineuse sur l’écran.
2) Calculer le nombre N de photons arrivant chaque seconde sur l’écran.