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

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Fiche Opt1 : Fondements de l’optique géométrique
1La lumière
1.1 Ondes électromagnétiques lumineuses
La lumière est un phénomène ondulatoire1Les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques
progressives de longueur d’onde appartenant au domaine :
(UV + visible + IR)
Le domaine du visible correspond à 400 nm < λ < 800 nm.
Si vest la vitesse de propagation de l’onde et Tsa période, alors sa longueur d’onde est : λ=vT .
Dualité onde corpuscule : Les deux aspects, ondulatoire et corpusculaire, sont nécessaires à l’interpré-
tation des phénomènes lumineux. Ils sont associés dans la relation de Louis de BROGLIE : λ=h
p.
hest la constante de PLANCK : h= 6,63.10−34 J.s.
1.2 Les principales sources lumineuses du laboratoire
– 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.
1.3 Propagation des ondes électromagnétiques lumineuses
Les ondes électromagnétiques lumineuses se propagent :
– dans le vide, rectilignement, dans toutes les directions de l’espace, à la célérité c= 3,00.108m.s−1;
– dans un milieu homogène et isotrope d’indice n, rectilignement, dans toutes les directions de l’espace,
à la vitesse v=c
n.
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 Les récepteurs d’ondes électromagnétiques lumineuses
2Notion de rayon lumineux
2.1 Approximation de l’optique géométrique
L’optique géométrique est l’approximation des faibles longueurs d’onde (devant la dimension carac-
téristique des obstacles : D). Elle est valable si λ≪D.(E)
2.2 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.
1En italique : savoir définir et/ou expliquer.
(E) : savoir énoncer intégralement et précisément.
(D) : savoir démontrer.
(F) : savoir faire.
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3Les lois de Snell-Descartes
Dioptre, point d’incidence, rayon incident, angle d’incidence, normale, rayon réfracté, angle de réfrac-
tion, rayon réfléchi, angle de réflexion.
3.1 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).
– 3ème loi : pour la réfraction, n2sin i2=n1sin i1(pour des angles orientés ou non).
(EF)
3.2 Angle de réfraction limite (n1< n2)
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 n1
n2.(DF)
3.3 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 :
Il y a réflexion totale dès que l’angle d’incidence dépasse l’angle : ℓ′= arcsin n2
n1.(DF)
3.4 Applications
Fibres optiques, prismes, mirages...
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