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22 août 2019 · Après une introduction au phénomène d'interférence à deux ondes, c'est à de tels dispositifs interféromé- triques qu'est consacré ce chapitre
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I — Loi fondamentale de l'optique des rayons lumineux Avant-propos Ce cours est issu, d'une part d'un enseignement d'optique en licence (L1, L2 et L3) de l'Université Paul Sabatier trique et sa propriété d'être conservative Pierre de
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Richard Taillet Optique physique Propagation de la lumière 2e édition COURS Cet ouvrage présente une introduction à l'optique ondulatoire, à l'intention des étu- diants d'université, de classes triques et magnétiques Ses objets
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COURS DE PHYSIQUE
OPTIQUE
COURS DE PHYSIQUE
OPTIQUE
Jean-Paul Parisot
Professeur à l'université Bordeaux I
Patricia Segonds
Maître de conférences à l'université Joseph Fournier de G renobleSylvie Le Boiteux
Professeur à l'université Bordeaux I
Préfacé par
André Ducasse
Professeur à l'université Bordeaux I
2 eédition
Illustration de couverture : Albert Arnaud
© Dunod, Paris, 2003
ISBN 2 10 006846 6
Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentementde lauteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété
intellectuelle (Art L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. €
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tion de loeuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, d u respect des dispositions des articles L 122-10 à L 122-12 du même Code, relativesà la reproduction par reprographie.
Ce pictogramme mérite une explication.
Son objet est d'alerter le lecteur sur
la menace que représente pour l'avenir de l'écrit, particulièrement dans le domaine de l'édition tech- nique et universitaire, le dévelop- pement massif du photo- copillageLe Code de la propriété
intellectuelle du 1 er juillet 1992 interdit en effet expressément la photocopie à usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or,cette pratique s'est généralisée dans lesétablissements d'enseignement supérieur,provoquant une baisse brutale des achatsde livres et de revues, au point que la
possibilité même pour les auteurs de créer des oeuvres nouvelles et de les faire éditer correctement est aujourd'hui menacée.Nous rappelons donc que
toute reproduction, partielle ou totale, de la présente publication est interdite sans autorisation duCentre français d'exploitation du
droit de copie (CFC, 20 rue des Grands-Augustins, 75006 Paris).
annŽes soixantes et leur dŽveloppement extrmement rapide dans les laboratoires de recherche au cours des deux dŽcennies suivantes, une multitude dÕapplica tions ont ŽmergŽ, sortant des laboratoires pour toucher notre vie de tous les jours : compacts-disques, lectures de codes-barres dans les caisses enregistreuses de grandes surfaces, communications par fibres optiques... Ainsi, de nouvelles technologies optiques sont venues modifier notre environnement, comme lÕont fait auparavant les technologies Žlectroniques puis les technologies informa- mme temps quÕŽmergeaient leurs applications. LÕoptique, au contraire, bŽnŽfi- des aspects tout ˆ fait originaux. cohŽrentes de lÕoptique : la physique des lasers, lÕoptique non-linŽaire, lÕoptique quantique, en particulier. Ils ont fait lÕobjet de beaucoup dÕattention de la part des chercheurs et de nombreux ouvrages ont ŽtŽ publiŽs pour faire le point concernant nos connaissances sur le sujet. La nouvelle vision que nous avons maintenant de lÕoptique a cependant profondŽment modifiŽ aussi la faon dont nous percevons ses bases anciennes. LÕoriginalitŽ de la propagation des ondes lasers cohŽrentes met en Žvidence directement les limitations de lÕoptique gŽomŽ- neux. Cette optique gŽomŽtrique peut nŽanmoins continuer ˆ tre utilisŽe avec beaucoup de profit dans un grand nombre dÕapplications de sources lasers, ˆ condition que ses limitations soient bien dominŽes. De mme, lÕ optique physiquegŽnŽral des ondes ŽlectromagnŽtiques, ne peuvent plus tre prŽsentŽs de la mme
mettre une formation bien connectŽe avec les soucis actuels des expŽrimenta- teurs. Or, dans tous ces derniers domaines, peu dÕefforts pŽdagogiques ont ŽtŽ aux nouvelles donnŽes expŽrimentales. CÕest dans ce contexte qu e les auteurs de tunŽment une prŽsentation originale de lÕoptique gŽomŽtri que. LÕenseignement de lÕoptique gŽomŽtrique, tel quÕil est en core pratiquŽ le plus sou- vent, laisse une image un peu poussiŽreuse de simple application mathŽmatique des relations de Chasles ou de la gŽomŽtrie des triangles, la physique sous- nŽrales. Il ne peut alors vraiment intŽresser que les Žtudiants fŽrus de gŽomŽtrie, qui vont dÕai lleurs vitePRÉFACE
se lasser dÕune utilisation rŽpŽtitive de notions mathŽmatiq fait, lÕoptique gŽomŽtrique est un outil judicieux pour apprendre ˆ manipuler la encore pour interprŽter la perception que nous avons du monde, via ce sens extraordinaire quÕest notre vision. La prŽsentation de lÕoptique gŽomŽtrique ne doit donc pas tre uniquement une succession de relations indiquant comment un rayon lumineux se propage dans des milieux de diffŽrents indices. Elle doit doit donner des clŽs pour des observations surprenantes du monde qui nous entoure. uteurs. Ainsi, dans leur introduction, ils indiquent la place de lÕoptique gŽomŽtrique parmi les trai- gations dÕondes ŽlectromagnŽtiques. LÕhistorique qui est donnŽ souligne bien lÕimportance ancestrale du sujet et indique surtout comment se sont c omplŽtŽes retrouve, bien sžr, toutes les notions de base essentielles pour dominer cette science des rayons lumineux. Mais elles sont le plus souvent accompagnŽ es de actuelles ou encore tiques dans le contexte physique qui est leur raison dÕtre. Ainsi sont prŽsentŽes, (parahŽlies, arc-en-ciel, aplatissement du Soleil, rayon vert), des mirages, de la vision sous lÕeau. Les techniques rŽcemment dŽveloppŽes de f ibres optiques, de rŽtrorŽflecteurs solides, de lames sŽparatrices par rŽflexion total e frustrŽe sont donnŽes en illustration. Enfin, la partie consacrŽe aux instrument s de lÕoptique comme un rŽcepteur complexe mais dont on peut avoir une vue schŽma tique qui rend compte de beaucoup de ses caractŽristiques, aussi bien sur le pla n optique que physiologique. Les instruments Ç artificiels È de lÕoptique gŽomŽtrique sont Žgalement prŽsentŽs avec une grande simplicitŽ, leurs p ropriŽtŽs essentiellesŽtant bien mises en exergue.
La forme de lÕouvrage est bien adaptŽe au souci manifeste des auteurs de faire passer un message simple, clair gr‰ce ˆ un texte attractif. Les ex plications dŽtaillŽes ont ŽtŽ prŽfŽrŽes aux successions fastid ieuses de relations, les schŽmas illustratifs sont faciles ˆ lire, une utilisation systŽmatique des encarts permet une it dÕexercices avec solutions prŽsentŽs au lecteur ˆ chaque chapitre. Ceux-ci doi- vent lui permettre de toucher du doigt systŽmatiquement lÕimportance des notions quÕil vient dÕapprendre. Cet ouvrage constitue donc une prŽsentation de lÕoptique gŽomŽ trique qui arrivePréfaceVI
sses prŽpara- base quÕils doivent acquŽrir. Je ne doute cependant pas que nombre dÕautres scientifiques non opticiens utilisent avec beaucoup de profit cet ouvrage pour satisfaire leur curiositŽ tant en ce qui concerne un certain nombre de nouvellesAndré Ducasse
Professeur de Physique
Université Bordeaux 1
PréfaceVII
Ç On sÕŽtonne trop de ce que lÕon voit rarement et pas assez de ce quÕon voit tous les jours È COMTESSE DEGENLIS
ux variŽs et specta- culaires dont les plus connus sont les arcs-en-ciel et les mirages. La r eprŽsentation de la dans le formalisme de lÕoptique optique gŽomŽtrique est une troitement liŽ ˆ notre histoire des sciences, domaine dans lequel sa contribution est par originale. LÕoptique gŽomŽtrique est une bonne approximation tant que les qui sÕy propage. Nous mon- trons alors que le principe de Fermat permet dÕŽtablir les lois de Snell-Descartes qui sont les fondements de lÕoptique gŽomŽtrique. Ces lois sont appliquŽ es ˆ de nombreux s, prisme...). Leur oduira les consŽquences Nous dŽfinissons ensuite la condition de lÕapproximation de Gauss qui permet dÕŽtablir la fameuse relation de conjugaison qui relie les positions dÕun objet et de son image ˆ tra- vers nÕimporte quel dispositif optique (dioptre, miroir sphŽrique ou lentille mince) mais aussi ˆ travers des combinaisons comme la lentille Žpaisse, lÕo culaire ou le microscope.Cette gŽnŽralisation au formalisme de lÕoptique gŽomŽtrique apporte une Žnorme simpli-
fication qui permet de dŽduire par des raisonnements simples toutes les autres relati ons nŽcessaires ˆ la caractŽrisation dÕun instrument. Dans chaque chapitre nous proposerons des exemples dans le cours ou sous forme dÕexercices accompagnŽs de leurs solutions afin dÕinsister sur la portŽe pratique dans la e parlÕoptique gŽomŽtrique ne suffit pas pour expliquer toutes les curiositŽs naturelles, elle
dŽjˆ un nou- veau regard envers la nature ! Pour retenir lÕesprit sans contrainte un enseignement doit intŽres ser par toutes ses appli- ttention, en relation directe avec le formalisme classique de lÕoptique gŽomŽtrique, sur la description dÕinstru- ments classiques comme la loupe, le microscope, la lunette ou les jumell es, qui passion- nent les jeunes gŽnŽrations. La connaissance de leur principe de fonctionnement assurera leur utilisation dans de bonnes conditions.