[PDF] OPTIQUE rayon lumineux le trajet suivi

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OPTIQUE

1. Sources de lumière

Il existe des corps lumineux -mêmes parce

tent directement de la lumière.

Citons par exemples :

Des sources froides comme un ver luisant, un écran de TV,

Il existe des corps éclairés

éclairés par une source lumineuse. Ils sont visibles car ils renvoient une partie de la lumière

Citons par exemples : les planètes, la Lune, les objets qui

2. Propagation de la lumière

2.1 Propagation rectiligne de la lumière

la lumière, aperçoit ce " trajet » grâce aux fines particules solides en suspension dans le milieu. Ces particules éclairées toujours limités par des segments de droites.

Le modèle utilisé en optique géométrique pour étudier la propagation de la lumière est le

rayon lumineux.

On appelle

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2 rayon lumineux faisceau lumineux

milieu homogène, un milieu qui présente en tous ses points, les mêmes propriétés physiques

rayons dans toutes les directions.

2.1.1 Conclusion

umineux se propage suivant des lignes droites issues de ce point.

2.1.2 Sortes de faisceaux lumineux

de lumière :

Parallèle

Convergent (les rayons

convergent de la source en un point)

Divergent (les rayons

lumineux)

2.2 Vitesse de la lumière

2.2.1 Dans le vide

On désigne la vitesse de la lumière dans le vide par la lettre C qui est

2.2.2 Dans un autre milieu transparent

Les expériences montrent que la lumière se propage avec une vitesse V toujours inférieure à

C.

On désigne par

On le définit par

Indice de réfraction toujours supérieur à 1

Vitesse de la lumière dans le vide en /

Vitesse de la lumière dans le milieun

c m s VcnV

1 est supérieur à n2.

il y a des interactions entre ce milieu et la lumière qui ralentissent la propagation de la lumière.

C = 3.108 m/s

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3

2.2.3 Exemples

Milieu indice Vitesse (km/s)

eau 1.33 225000 alcool 1.36 221000

Verre 1.5 200000

cristal 1.6 188000 diamant 2.42 124000 air 1.000293 1 300000 = C

2.3 Les Ombres

On obtient des ombres différentes en fonction du type de source qu'on utilise.

2.3.1 Source ponctuelle

Une telle source est simplement un point minuscule émettant de la lumière. Dans la pratique, ce genre de source est très difficile à obtenir. Afin de trouver quel ombre on obtient, on n'a qu'à tracer les rayons partant de ce point et passant par les bords de l'objet. On voit qu'il y a deux types de régions sur l'écran: la clarté ou l'ombre totale. Un point de l'écran à la clarté peut recevoir des rayons provenant de la source, alors qu'un point de l'ombre ne peut pas du tout en recevoir, puisqu'il se situe derrière l'objet.

3.2 Source étendue

Dans la pratique, c'est ce genre de source qu'on utilise. Il s'agit d'une source de lumière qui a une certaine grandeur et, par conséquent, qui émet des rayons de lumière provenant de plusieurs points de positions différentes. Traçons encore une fois les rayons aux extrêmes, mais cette fois-ci en tenant compte du fait que la source aussi a des côtés distincts. On a donc quatre rayons différents à tracer. On observe encore une zone d'ombre entourée de zones de clarté. Or, entre l'ombre et la clarté, on remarque que la limite n'est pas clairement définie, qu'il se trouve des régions qui reçoivent une certaine quantité de lumière, sans toutefois toute la recevoir. De plus, plus on s'éloigne du centre de l'écran, plus cette zone est éclairée. En fait, il s'agit d'une zone qu'on appelle la pénombre.

Exemple : Le cadran solaire

Un cadran solaire comporte une tige, dont l'ombre se projette sur une surface plane verticale ou horizontale, où sont gravées les heures.

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4 a lumière provenant de cet objet Dans un milieu transparent homogène, la lumière se propage en ligne droite. Le rayon lumineux est une ligne qui modélise la propagation de la lumière. Une flèche indique le sens de cette propagation. c = 3 x 10 8 m/s Chaque milieu est caractérisé par un indice de réfraction n. Par définition, On obtient des ombres différentes en fonction du type de source qu'on utilise

3. Réflexion de la lumière

3.1 Expérience

Plaçons sur le trajet de la lumière, une surface parfaitement lisse (plaque en métal). Suivant réflexion.

3.2 Lois de la réflexion sur un miroir

plan

Pour mettre en évidence les lois de la réflexion, on utilise un disque goniométrique qui permet

la mesure des angles. Pour réaliser au mieux ces mesures, il faut définir certains termes : I : point de rencontre du faisceau incident avec la surface réfléchissante IN à la surface réfléchissante, au point I : angle formé par le rayon incident et la normale R : angle de réflexion : angle formé par le rayon réfléchi et la normale ; plan déterminé par le rayon incident et la normale

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Lois de la réflexion

1. Les rayons incident et réfléchi,

la normale sont dans le plan r = i

3.3 Image formée par un miroir plan

Expérience des 2 bougies

Soient 2 bougies symétriques par rapport à une lame de verre.

Si on allume la bougie située ,

celui-ci quelle que soit sa position en avant du miroir, que les prolo image virtuelle du point A. Une image virtuelle est donc constituée par la convergence des prolongements des rayons réfléchis.

Symétrique par rapport au miroir

Virtuelle (non captable sur un écran)

t

Généralement pas superposable

: le miroir inverse la gauche et la droite)

3.4 Applications des miroirs

Les miroirs plans sont omniprésents dans nos vies. Nous en avons tous au moins un à la maison, généralement au-dessus du lavabo de la salle de bain. Les miroirs plans sont donc utilisés comme objets décoratifs. Ils sont aussi utilisés dans certains appareils optiques comme le sextant, certains types de télescopes et le périscope. Enfin, deux miroirs plans sont

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particulièrement utiles à la conduite automobile (et ce ne sont pas ceux cachés derrière les

pare-soleil) : le miroir du côté conducteur et le rétroviseur central. Ces deux miroirs

permettent au conducteur d'un véhicule routier de voir ce qui se passe derrière lui.

Les miroirs concaves et les miroirs convexes

La réflexion d'un faisceau de rayons parallèles sur un miroir sphérique convexe donne un faisceau divergent. a) Après réflexion sur un miroir concave les rayons converge vers un point appelé foyer. b) Après réflexion sur un miroir convexe, les rayons divergent à partie

Quelques exemples

Une image agrandie donnée par le miroir du télescope de Hubble

Le sextant est un instrument à réflexion qui permet de mesurer la hauteur des astres. Son demi-cercle ou limbe gradué présente un arc de 60°, ce qui permet de mesurer la hauteur de planètes ou d'étoiles à partir d'un navire. Ainsi en mesurant avec le sextant la hauteur du soleil, on détermine la latitude

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Un sous-marin en plongée à une

faible profondeur, peut observer la surface grâce à un périscope.

Kaléidoscope

(A droite : image vue dans un kaléidoscope)

Le four solaire

par rapport au miroir. Elle ne peut être captée sur un écran : chacun de ses sont situé dans un même plan.

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4. Réfraction de la lumière

4.1 Expériences

bâton semble brisé à la surface de séparation (eau-air). En modifié lors de sa rentrée dans le liquide.

4.2 Définition

On appelle réfraction de la lumière, le brusque changement de direction que subit le faisceau ieu transparent dans un autre.

Schéma

Milieu 1 : n1

Milieu 2 : n

2Dioptre = surface de

séparation des deux milieux

Rayon réfléchi

Rayon incidentN : Normale au point

1ir 2i

Rayon réfracté

1

2:angle d'incidence

:angle de réfraction : angle de réflexioni i r 1ir

1 1 2 2.sin .sinn i n i

Loi de la réfraction

1. Le rayon incident, le rayon réfléchi, le rayon réfracté et la normale au

2. r la relation

1 1 2 2sin sinn i n i

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9 4.2.1 plus réfringent ( n1 n2 )

Le rayon réfracté se rapproche de la

normale ( i2 < i1 )

A tout rayon incident, il correspond un

rayon réfracté 4.2.2 moins réfringent ( n1 n2 ) Phénomène de réflexion totale, angle limite

Le rayon

de la normale ( i2 i1 )

A tout rayon incident ne correspond pas un

rayon réfracté. i

1 = angle limite l alors i2 = 90°

1 rayon réfracté dans le second milieu mais on observe une réflexion du rayon sur la surface de séparation transparen : la réflexion totale. Cette réflexion totale se produit si les 2 conditions suivantes sont remplies : milieu 2 mois réfringent

1 doit être supérieu

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10 Le rayon (1) arrive perpendiculairement sur la surface réfléchi.

Un rayon laser entre dans un bocal à poisson et est réfléchi, par un miroir placé dans le fond, selon différents angles. On voit clairement le rayon qui est

4.3 Application de la réfraction.

réalité. Un indien qui pêche le poisson en tirant des flèches dans

Coucher de Soleil anticipé

Lorsque la lumière du Soleil entre dans l'atmosphère, elle traverse successivement plusieurs couches d'air. Ces couches sont de plus en plus denses, à mesure qu'on se rapproche du sol. La

lumière est donc réfractée par des milieux de plus en plus réfringents, ce qui en rapproche les

rayons de la verticale. Le Soleil, comme tout autre objet du ciel, nous semble donc plus haut

qu'il ne l'est en réalité. Ce phénomène est particulièrement évident à son coucher et à son

lever. Les rayons provenant du Soleil sont courbés par l'atmosphère

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11 Autres exemples

apparaît brisée. pour le coucher de soleil, les rayons venant du a un indice de réfraction légèrement supérieur à 1).

Cependant, le phénomène

est plus sensible pour les rayons proches de

Le résultat : le soleil

semble légèrement aplati.

Il a une forme elliptique.

Les mirages

Le mirage inférieur

(asphalte, sable,..), il se produit le phénomène de mirage inférieur (ou " mirage du désert »). La densité

reflet du ciel comme si le sol se comportait comme un miroir ». La figure montre les trajets réel (2) et apparent (3)

Le mirage supérieur

Au contraire du " mirage du désert -dessus

" flottent .

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4. 4 Applications de la réflexion totale

Le prisme à réflexion totale

Les prismes à réflexion totale permettent de renvoyer la lumière à 90° ou à 180°. EN effet air e sont égaux à 45°. De tels prismes sont utilisés dans jumelles, les télescopes, les appareils photos nettement plus précises mais ils sont aussi beaucoup plus chers. Quelques exemples sont donnés ci après. che et la droite de telle sorte que le champ de vision observé Les appareils photo de type réflex utilisent des prismes à réflexion totales.

Les diamants

Tailler des pierres précieuses est un art. En fait, un joaillier se sert de la réflexion totale

interne pour rendre un bijou plus brillant. Un diamant étant transparent, la lumière peut y entrer et en ressortir. Il est possible de tailler des faces planes dans la pierre de façon à empêcher la lumière de sortir par d'autres faces que celle du dessus. Il faut donc que la

lumière entrant dans la pierre subisse des réflexions totales internes sur les autres faces. Ainsi,

le bijou nous semble plus éclatant lorsqu'on le regarde du dessus.

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13 Les fibres optiques

la plus importante de la réflexion totale est pour canaliser et " transporter » la lumière. La lumière subit un très grand nombre de réflexions totales sur les surfaces de séparation fibre-verre. ibre optique de fibre optique

Les fontaines lumineuses

Les rayons lumineux, par réflexion totales successives, sont prisonniers des filets d'eau. La lumière jaillit lors de l'éclatement des gouttes d'eau.

utilise une fibre optique pour transporter de la lumière vers un organe à explorer et un système optique pour amener à

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Faisceau de fibres optiques

Vêtement en fibre optique

Les communications

Les fibres optiques en verre sont utilisées depuis les

Une seule

fibre optique p

Un seul câble

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