Fiche Opt1 : Fondements de l`optique géométrique 1 La lumière 2

PCSI
Physique
PCSI
Fiche Opt1 : Fondements de l’optique géométrique
1
1.1
3
La lumière
3.1
Ondes électromagnétiques lumineuses
Les lois
– 1ère loi : le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan d’incidence.
– 2ème loi : pour la réflexion, r = −i1
(pour des angles orientés, à partir de la normale).
(pour des angles orientés ou non).
– 3ème loi : pour la réfraction, n2 sin i2 = n1 sin i1
(UV + visible + IR)
Le domaine du visible correspond à 400 nm < λ < 800 nm.
Si v est la vitesse de propagation de l’onde et T sa période, alors sa longueur d’onde est : λ = vT .
3.2
3.3
Les principales sources lumineuses du laboratoire
Angle de réfraction limite (n1 < n2 )
Réflexion totale (n1 > n2 )
Lorsque la lumière passe d’un milieu (1) plus réfringent dans un mileu (2) moins réfringent, les rayons
réfractés s’écartent de la normale :
(DF)
Il y a réflexion totale dès que l’angle d’incidence dépasse l’angle : ℓ′ = arcsin nn21 .
– Les lampes à incandescence : spectre continu de lumière blanche ;
– Les lampes à décharge : spectre de raies ;
– Le laser : faisceau de lumière quasi monochromatique, très directif et très puissant.
3.4
Propagation des ondes électromagnétiques lumineuses
Applications
Fibres optiques, prismes, mirages...
Les ondes électromagnétiques lumineuses se propagent :
– dans le vide, rectilignement, dans toutes les directions de l’espace, à la célérité c = 3, 00.108 m.s−1 ;
– dans un milieu homogène et isotrope d’indice n, rectilignement, dans toutes les directions de l’espace,
à la vitesse v = nc .
Lorsque l’indice optique d’un milieu matériel dépend de la longueur d’onde de l’onde qui le traverse :
le milieu est dit dispersif.
1.4
2
2.1
Les récepteurs d’ondes électromagnétiques lumineuses
Notion de rayon lumineux
Approximation de l’optique géométrique
L’optique géométrique est l’approximation des faibles longueurs d’onde (devant la dimension caractéristique des obstacles : D). Elle est valable si λ ≪ D.
2.2
(E)
Le modèle du rayon lumineux
Dans le cadre de l’optique géométrique :
– Les rayons symbolisent les trajectoires rectilignes de l’énergie (des photons d’énergie E = hν) ;
– On peut modéliser un rayon lumineux par un pinceau cylindrique de lumière de rayon r ≪ λ ;
– Les rayons lumineux sont indépendants : ils se superposent sans interférer ;
– Principe du retour-inverse : le trajet suivi par un rayon lumineux est indépendant de son sens de
parcours.
(E)
Les rayons lumineux doivent donc toujours être orientés dans les constructions.
1
En italique : savoir définir et/ou expliquer.
(E) : savoir énoncer intégralement et précisément.
(D) : savoir démontrer.
(F) : savoir faire.
1
(EF)
Lorsque la lumière passe d’un milieu (1) moins réfringent dans un mileu (2) plus réfringent, les rayons
réfractés se rapprochent de la normale :
L’angle de réfraction ne peut pas dépasser l’angle de réfraction limite : ℓ = arcsin nn12 .
(DF)
Dualité onde corpuscule : Les deux aspects, ondulatoire et corpusculaire, sont nécessaires à l’interprétation des phénomènes lumineux. Ils sont associés dans la relation de Louis de BROGLIE : λ = hp .
h est la constante de PLANCK : h = 6, 63.10−34 J.s.
1.3
Les lois de Snell-Descartes
Dioptre, point d’incidence, rayon incident, angle d’incidence, normale, rayon réfracté, angle de réfraction, rayon réfléchi, angle de réflexion.
La lumière est un phénomène ondulatoire 1 Les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques
progressives de longueur d’onde appartenant au domaine :
1.2
Physique
2