Généralités sur l’optique

1. Généralités sur l’optique Optique géométrique PCSI

2. Qu’est ce que l’optique ? Optique géométrique Domaine de la physique traitant des propriétés de la lumière visible par l’œil ou pas. On distingue en général l’optique géométrique (étude des rayons lumineux et la formation des images par un instrument d’optique) de l’optique physique (nature ondulatoire de la lumière). PCSI

3. Ce que vous savez déjà : Optique géométrique Décomposition de la lumière par un prisme; spectres d’émission et d’absorption; notion de rayon lumineux et lois de Descartes pour la réfraction rencontrées en classe de seconde. Formation d’images par des systèmes optiques (miroir, lentille, lunette) rencontrée en première. Modèle ondulatoire de la lumière développée en terminale à la suite du travail sur les ondes mécaniques. PCSI

4. Généralités sur l’optique Optique géométrique I - Du rayon lumineux à la dualité onde - corpuscule II - Les sources de lumière PCSI

5. Du rayon lumineux à l’électrodynamique quantique Optique géométrique • Modèle géométrique • Modèle ondulatoire • Modèle corpusculaire • Dualité onde - corpuscule PCSI

6. 1)Modèle géométrique Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

7. Optique géométrique EUCLIDE (4e - 3e avant J.-C, Alexandrie, contemporain de Ptolémée I) : notion de rayon lumineux. ALHAZEN physicien arabe (10e - 11e) attribue à la lumière une origine extérieure à l'oeil. Il travaille sur la réfraction de la lumière. PCSI AAM 2008-2009

8. Optique géométrique GALILEE (16ième -17ième) fabrication des premières lunettes. Observations de taches à la surface du Soleil, mise au point d’un microscope. PCSI AAM 2008-2009

9. Optique géométrique DESCARTES (17e) modélisation corpusculaire de la lumière (impose une vitesse de la lumière plus grande dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience). PCSI AAM 2008-2009

10. Optique géométrique FERMAT (fin 17e) principe de moindre temps. Vitesse de la lumière plus petite dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience). Le trajet parcouru par la lumière entre deux points est toujours celui qui optimise le temps de parcours. PCSI AAM 2008-2009

11. 2)Modèle ondulatoire Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

12. Optique géométrique HUYGENS (17e) propose une théorie ondulatoire permettant de retrouver les résultats de l'optique géométrique et compatible avec une vitesse de la lumière plus faible dans les milieux matériels que dans l'air. Il découvre Titan un satellite de Saturne, observe la nébuleuse d’Orion, travaille sur l’isochronisme des oscillations d’un pendule. PCSI AAM 2008-2009

13. Optique géométrique YOUNG (début du 19ième) : En 1801, il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles, et le projette sur un écran. La lumière est diffractée au passage des fentes et produit sur l'écran des franges d'interférence, c'est-à-dire une alternance de bandes éclairées et non-éclairées. Young en déduit la nature ondulatoire de la lumière. Animation sur les fentes de Young PCSI AAM 2008-2009

14. Optique géométrique FRESNEL (début du 19ième) : En 1815, Fresnel, pose les bases de la théorie ondulatoire. Réalisation d’expériences sur la diffraction de la lumière. Animations sur la diffraction d’ondes mécaniques et de la lumière PCSI AAM 2008-2009

15. Optique géométrique MAXWELL (deuxième partie du 19ième) la lumière est une onde électromagnétique se propageant à une vitesse c = 3.108 m.s-1 dans le vide (en fait il mesure expérimentalement 3,1.108 m.s-1). Il travaille sur la perception des couleurs (daltonisme), la théorie cinétique des gaz et l’électromagnétisme (équations de Maxwell). Dans son article de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field Maxwell écrit : « L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. » PCSI AAM 2008-2009

16. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique • Vitesse de propagation dans le vide : • c = 299 792 458 m.s-1 • c est d’environ 3.108 m.s-1. • La lumière peut se propager même en l’absence de milieu matériel, c’est-à-dire même dans le vide (contrairement aux sons ou aux vagues de la mer). PCSI

17. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique • La lumière étant une onde, on définit : • - sa période temporelle T (en s), • - sa fréquence f = 1 / T (en s-1 ou Hz) • sa longueur d’onde spatiale λ (en m) • λ = c.T = c/f PCSI

18. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI

19. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique • Dans un milieu matériel : • La lumière se propage à une vitesse v plus faible que dans le vide. Si v désigne la vitesse de la lumière dans le milieu, on définit l’indice de réfraction n du milieu par : n = c/v • L’air a un indice de réfraction de l’ordre de 1,000293 (à 1 bar et 0°C) qui sera souvent assimilé à 1. PCSI

20. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique • Indice du verre : de 1,5 à 1,7 (selon la nature du verre) • Indice de l’eau : de l’ordre de 1,33 • La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la fréquence (c’est-à-dire de la couleur) de la lumière. PCSI

21. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la longueur d’onde (c’est-à-dire de la couleur) de la lumière. On peut dans certains cas modéliser ce phénomène par la loi de Cauchy : PCSI

22. La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique A et B dépendent des propriétés microscopiques du milieu. λrouge > λbleu nbleu > nrouge Vrouge>vbleu On voit alors que parfois, dans un milieu matériel, le bleu se propage moins vite que le rouge (contrairement au vide où toutes les couleurs se propagent toujours à la même vitesse). On appelle ce phénomène : dispersion de la lumière. PCSI

23. 3)Modèle corpusculaire Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

24. Optique géométrique NEWTON (fin 17ième, début 18ième) : Dans son traité Opticks de 1704, Newton expose sa théorie de la lumière. Il la considère composée de corpuscules très subtils. La matière ordinaire est constituée de plus gros corpuscules. PCSI AAM 2008-2009

25. Optique géométrique Les découvertes de l'effet, photoélectrique et. du rayonnement, du corps noir conduisent. PLANCK et. EINSTEIN (20ième) à revenir à un modèle corpusculaire PCSI AAM 2008-2009

26. La théorie Corpusculaire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique • La lumière est une sorte de flux de « grains d’énergie », • appelés photons. • Chacun de ces photons : • - a une masse nulle • - se déplace à une vitesse c = 2,998.108m.s-1 dans le vide • son énergie est E = h f, où h est la constante de Planck et f la fréquence du photon (fréquence de la « lumière associée »). • Constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s PCSI

27. 4)Dualité onde - corpuscule Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

28. Optique géométrique Louis de Broglie (1924) la lumière n’est ni seulement un flux de photons, ni seulement une onde, mais les deux à la fois. C’est la dualité onde-corpuscule, PCSI AAM 2008-2009

29. Optique géométrique Expériences des fentes d’Young avec des électrons PCSI AAM 2008-2009

30. Optique géométrique Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrentQue se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ? Cette expérience a pu être réalisée pour la première fois en 2004 par l’équipe de Jean-François Roch (Laboratoire de photonique quantique de l’ENS Cachan) PCSI AAM 2008-2009

31. Optique géométrique Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrentQue se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ? PCSI AAM 2008-2009

32. Les sources de lumière Optique géométrique • Sources à spectre continu • Sources à spectre de raies ou de bandes • Cas particulier du LASER PCSI

33. 1)Sources à spectre continu Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

34. Optique géométrique Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe du rayonnement du corps noir. Tout corps porté à l’incandescence et maintenu à une température T constante, émet un rayonnement électromagnétique formant un large spectre continu. PCSI AAM 2008-2009

35. Optique géométrique Le spectre de lumière émise a l’allure suivante, où l’on représente l’intensité lumineuse spectrale émise en fonction de la couleur. La loi de Wien (Allemand, 19ième, 20ième) relie la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse émise à la température du corps noir : plus un corps est chaud, plus son maximum d’intensité se trouve vers le bleu et l’UV. PCSI AAM 2008-2009

36. 2)Sources à spectre de raies ou de bandes Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

37. Optique géométrique Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe de l’émission spontanée par des atomes gazeux. On excite les atomes gazeux de la lampe par des décharges électriques. Le retour dans les états d’énergie inférieure s’effectue spontanément par émission de photons. PCSI AAM 2008-2009

38. Optique géométrique Les niveaux d’énergie des atomes étant quantifiés, on obtient une lumière émise formée de raies étroites de lumière. PCSI AAM 2008-2009

39. Optique géométrique Mercure Sodium PCSI AAM 2008-2009

40. Optique géométrique Hélium Néon PCSI AAM 2008-2009

41. 3)Cas particulier du laser Optique géométrique PCSI AAM 2008-2009 6 avril 2011

42. Optique géométrique (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) C’est une source de lumière monochromatique. Le faisceau lumineux est très fin et directif. Le laser le plus utilisé en TP est le laser Hélium-Néon, de couleur rouge (632,8 nm) PCSI AAM 2008-2009

43. Sources Optique géométrique Olivier Garnier : http://olivier.granier.free.fr/crbst_3.html Cours de pcsi de M Decout : http://coursdephysique.decout.org/cours_de_physique_PDF/optique_bases_optique_geometrique.pdf PCSI