1 - UPMC

Université Pierre et Marie Curie - LP1 - UE 103 - Année 2007-2008
Examen Optique géométrique
17 décembre 2007
I. Réfractions dans une bulle d’air (~ 8 points)
On considère une bulle d’air (indice n2 ~1) immergée dans de l’eau (indice n1=1,33). Un rayon
rencontre la bulle au point I avec un angle d’incidence i (voir Figure 2, feuille ci-jointe). Le rayon
est à une distance d de la droite SC parallèle au rayon et passant par C. La bulle correspond à une
sphère de rayon R et de centre C.
a) Faire sur la Figure 2, le schéma optique représentant le rayon réfléchi au point I. Identifier
l’angle de réflexion.
b) A partir de quel angle d’incidence i=θ le rayon sera-t-il totalement réfléchi ? Evaluer l’angle θ
(Notez que 1,33 ~ 4/3 et sin(45,5°) ~ 0,75).
c) A quelle distance dθ est alors situé le rayon ? Application numérique pour R = 4 mm.
d) Dans le cas où i>θ, le rayon est totalement réfléchi. Représenter sur la Figure 2, l’angle D de
déviation du rayon, c'est-à-dire l’angle par lequel le rayon incident est dévié de sa direction
initiale. Exprimer D en fonction de i.
e) Dans le cas où i<θ, le rayon subit aussi plusieurs réfractions (voir Figure 3). Soit r l’angle de
réfraction correspondant au passage eau-bulle d’air. Représenter sur la Figure 3, l’angle D’ de
déviation du rayon en sortie, c'est-à-dire l’angle que fait le rayon à la sortie de la bulle par
rapport au rayon incident. Exprimer l’angle D’ en fonction de i et r (On notera que le triangle
IJC est isocèle en C).
II. Dispositif de mesure d’indice de liquides (~ 13 points)
On considère le système optique représenté sur la Figure 1. Ce système est constitué d’une lentille
mince convergente de distance focale image f ’ suivie d’un parallélépipède en verre d’épaisseur h et
d’indice n. L’extrémité inférieure du parallélépipède est placée à une distance D de la lentille (voir
Figure 1). On se place dans les conditions de stigmatisme approché.
Un objet A est placé à une distance d du centre O de la lentille. On notera A1 son image à travers la
lentille seule.
a) On note x1 = OA1 . Exprimer x1 en fonction de d et f ’.
b) On place A de telle sorte que A1 se forme dans le parallélépipède en verre (voir Figure 1). La
première face du parallélépipède constitue un dioptre plan séparant l’air (n1≈1) du verre (n2=n).
On désigne alors par A2 l’image de A1 à travers ce dioptre plan. Exprimer SA2 en fonction de
SA1 (La relation de conjugaison des dioptres plans est rappelée ci-dessous). En déduire
OA2 en fonction de D, h, n et x1.
c) On règle maintenant la position de A de telle sorte que A2 se forme sur la deuxième face plane
(face inférieure) du parallélépipède en verre, c'est-à-dire en M à une distance D de O (voir
Figure 1). En déduire l’indice n en fonction de x1, h et D.
d) On place maintenant un miroir plan à l’extrémité du système, au point M (voir Figure 4, feuille
ci-jointe). Où se forme A3 l’image de A2 à travers le miroir plan ? En déduire la position de A’,
l’image finale de A à travers ce dispositif. Faire la construction optique correspondante sur la
Figure 4.
UPMC-LP1-UE 103– Optique géométrique – Examen 17 décembre 2007
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e) On remplace le parallélépipède par un liquide d’indice n sur une hauteur h. Où se forme A’ ?
Expliquer en quoi ce dispositif permet de mesurer l’indice du liquide.
L’objet observé est en fait étendu et de taille AB (voir Figure 5). L’objet étant réglé comme
précédemment, son image A2B2 se forme donc au niveau du miroir plan (sur le plan passant par
M).
f) On suppose n=3/2, en déduire la position de A1 par rapport à S. Sachant que h= 3cm, placer A1
sur la Figure 5 (feuille ci-jointe).
g) Dans quel plan se forme B1 ? En déduire sa position et faire, sur la Figure 5, la construction
optique correspondant à la formation de A1B1. En déduire les positions des points focaux de la
lentille.
h) On notera qu’un dioptre plan conserve la taille des objets. Par conséquent A2B2 a la même taille
que A1B1. Faire, sur la Figure 5, la construction optique correspondant à la formation de
l’image A2B2 associée à l’objet AB. On ne s’intéressera pas ici aux rayons réfléchis par le
miroir.
Remarque : les questions f), g) et h) sont indépendantes des réponses aux questions précédentes.
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n1
SA
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Rappel : Relation de conjugaison des dioptres plans :
Figure 1
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N° d’anonymat :
Feuille de figures à remplir et à rendre avec votre épreuve
Figure 2
Figure 3
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N° d’anonymat :
Feuille de figures à remplir et à rendre avec votre épreuve
Figure 4
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Figure 5
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