illustrations du cours d`optique géométrique

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programme dans les détails ; il n'est donc pas
suffisant et ne remplace pas le cours !!
Illustrations du cours d'optique
géométrique
Licence 1 Semestre 2
(Elodie Parzy)

Historique
ANTIQUITÉ -3000 à 477, arrivée des francs : notion de rayons lumineux, loi de la réflexion et l'idée que la
lumière suit le chemin qui a le temps de parcours minimum germe.
CLAUD PTOLÉMÉE 90-168 : mathématicien, astronome, géographe grec d'Alexandrie. On lui doit un traité
d'optique et des tables de mesure concernant la réfraction.
ALHAZEN 965-1039 : physicien arabe, comprend le premier que l'oeil n'émet pas de rayons venant
``scruter'' les objets mais que ceux-ci, éclairés par des sources, sont à l'origine de rayons lumineux rectilignes.
1609 - GALILÉE 1564-1642 : physicien et astronome italien. On lui doit la lunette astronomique avec
laquelle il découvre les satellites de Jupiter, les anneaux de Saturne, les taches et la rotation du Soleil. La
cours de Rome le dénonce comme hérétique et il doit abjurer devant l'inquisition (1633).
1611 - KEPLER 1571-1630 : astronome allemand. Son ouvrage ``Dioptrique'' (dans lequel il expose le
principe d'une lunette à deux lentilles convergentes), publié en 1611, est l'ouvrage d'optique le plus important
publié avant l'``Optique'' de Newton. Il découvre le mouvement elliptique des planètes autour du Soleil.
C’est à cette même époque que le premier microscope est construit.
Physique optique semestre 2
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1620 - SNELL 1580-1626 : astronome et mathématicien hollandais. Il découvre la loi de la réfraction.
1666 - NEWTON 1642-1727 : mathématicien, physicien et astronome anglais. A l'aide d'un écran percé d'un
trou, suivi d'un prisme, il découvre, en projetant la lumière sur le mur opposé qu'elle se compose d'une
infinité de couleurs.
1672 - NEWTON 1642-1727 : construction du premier télescope.
1673 - DESCARTES 1596 - 1650 : philosophe et scientifique français. Formalise les lois de la réflexion et
réfraction. Le problème de stigmatisme est posé et Descartes donne une théorie de l'arc-en-ciel mais ignore la
complexité de la lumière blanche, il ne peut pas expliquer la coloration de l'arc-en-ciel.
1704 - NEWTON : publication d'un traité d'optique dans lequel il explique la complexité de la lumière
blanche. Celle-ci serait formée de corpuscules : grains de nature imprécise lancés à toute vitesse par
l'émetteur. Il explique ainsi la coloration de l'arc-en-ciel.
1676 - ROENER : première mesure de la vitesse de la lumière à l'observatoire de Paris.
1802 - YOUNG 1773-1829 : médecin et physicien anglais. Effectue la première mesure de longueur d'onde à
partir de ses célèbres fentes. Il découvre aussi l'accomodation du cristallin et les interférences lumineuses.
A la même époque, MALUS, FRESNEL et ARAGO étudient la polarisation de la lumière. Fresnel suppose
que la lumière est propagée par le mouvement vibratoire d'un milieu hypothétique, l'éther. Aucun
renseignement n'est donné sur ce milieu.
1870 - MAXWELL 1831-1879 : physicien écossais. Elabore une théorie permettant d'unifier l'optique et les
phénomènes électromagnétiques. Dans sa théorie électromagnétiques, les ondes lumineuses (visibles ou
invisibles) sont constituées d'un champ électrique perpendiculaire à un champ magnétique avec des intensités
variant périodiquement dans l'espace et dans le temps.
1905 - EINSTEIN 1879 - 1955 : physicien allemand. Explore la notion de photon pour interpréter l'effet
photoélectrique. il faut fournir énormément d'énergie à un atome pour lui arracher des électrons. Par ailleurs
cette extraction se fait sur des niveaux d'énergie discontinus. L'apport énergétique de la lumière se fait sous
forme corpusculaire (notion de photons). L'extraction étant obligatoirement continue si la lumière était
uniquement de nature ondulatoire. Grâce à l'apport de la mécanique ondulatoire, LOUIS DE BROGLIE, en
1924, a concilié les deux aspects : corpusculaire et ondulatoire.

PLAN DU COURS
Introduction
I Propagation de la lumière dans un milieu matériel
I.1 Notions de bases
I.1.1_Indice absolu d’un milieu
I.1.2_Principe de Fermat
I.1.3_Postulats
I.2_Les lois de Snell-Descartes
I.2.1_Interface plane entre deux milieux
I.2.2_La réflexion
I.2.3_La réfraction
I.2.4_La vision des images
I.3 Applications
I.3.1_Les fibres optiques ( ou application de la réflexion interne totale )
I.3.2_ Les milieux inhomogènes ; changement d’indice de réfraction
I.3.3_Les mirages
I.4_Le prisme
II Les systèmes centrés
II.1 Définitions et fondements de l’optique géométrique
(Conditions de Gauss ; Classification des systèmes optiques ...
II.2 Les dioptres
II.2.1 Description des points caractéristiques
II.2.2 Construction géométrique : comment trouver l’image d’un objet ponctuel
II.2.3 Conventions pour les systèmes dioptriques
II.2.4 Equation de conjugaison
II.2.5 Définition des foyers d’un dioptre
II.2.6 Construction géométrique d'images lorsque les objets sont non ponctuels
II.2.7 Définition des foyers d’un dioptre Formule de grandissement
II.2.8 Définition des foyers d’un dioptre Relation de Lagrange-Helmoltz
II.3 Association de 2 dioptres et étude des lentilles minces
II.3.1 Les différents types de lentilles
II.3.2.a Les lentilles épaisses
II.3.2 Equation de conjugaison (cas des lentilles minces)
II.3.3 Tracé des rayons principaux pour les lentilles et construction géométrique
II.3.4 Le grandissement transversal
II.3.5 Cas de la loupe
II.4 Associations de plusieurs éléments
II.4.1 Le hublot de piscine
II.4.2 Généralisation : le doublet quelconque d'épaisseur e
III Œil et microscope
III.1 L’œil
III.1.1 Description de l’œil
III.1.2 Les défauts dioptriques de l'oeil
III.2 Qualité, puissance et grossissement d’un système optique
III.3 Le microscope

Propagation de la lumière dans un milieu matériel
Une onde électromagnétique est une onde lumineuse
La longueur d'onde ( )λest la plus petite distance, mesurée suivant l'axe de propagation, entre
deux points de l'onde ayant les mêmes caractéristiques. La longueur d'onde est par exemple la
distance entre deux maxima ou deux minima successifs.
λ
y (m)
x(m)
Vitesse d'une onde : v = . fλ
avec v en m.s-1 ; en m et f, la fréquence en Hz ou en sλ-1
Ultra-Violet Infra-Rouge Bleu Vert Jaune Rouge
~10 nm ~800 nm~400 nm ~1 mm
Le phénomène de diffraction :