[PDF] Optique - 2ème édition

OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE Cours - FEMTO

1 LOIS DE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE 1 2 LoisdeSnell-Descartes Tab 1 1 –Quelquesindicesderéfraction Milieu air eau verre diamant Indicen 1,0003 1,33 1,5-1,8 2,42 Remarque: la lumière est une onde et, à l’instar des ondes acoustiques qui ont besoin d’un milieu élastique

Cours doptique géométrique et formation des images

Cours: Optique géométrique • Formation des images à travers un système optique • L’étude d’un système optique : l’appareil photographique, microscope, lunette astronomique, télescope,

OPTIQUE GEOMETRIQUE

à son axe optique, est également située dans un plan perpendiculaire à cet axe optique et la condition d’Abbé soit vérifiée Condition d’Abbé : 1 sin = 2 ′ ′sin ′ Avec α et α’ sont l'angle formé par l'axe du système avec la direction du rayon

Faculté de Physique Département de Physique Energétique

Dr Sid Ahmed BELDJILALI USTO-MB Cours Optique géométrique I 5 Objective de l’optique géométrique: L’étude de la marche d’un rayon lumineux à travers des milieux transparents, homogènes et isotropes séparés par des miroirs ou des dioptres plans ou sphériques I 6

Cours doptique général - CANDIS PDF Service

Cours d'optique général Optique géométrique et optique physique Martin P Lévesque RDDC – Centre de recherches de Valcartier Recherche et développement pour la défense Canada Document de référence DRDC-RDDC-2016-D049 septembre 2016

Chapitre1 Optiquegéométrique

18 Optique géométrique 2BC 1 3 Réfractiondelalumière 1 3 1 Lephénomènederéfraction Expérience 1 8 Autour d’une petite boîte contenant une pièce de 1e,

COURS DE PHYSIQUE MPSI OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE COURS TP-COURS TP

électromagnétique de longueur d’onde λ ∈ [400 nm,700 nm] ( spectre visible )se propage dans le vide à la vitesse c=3 108 m s−1 L’approximation de l’optique géométrique consiste à tendre la longueur d’onde λ vers zéro (λ → 0); c’est à dire négliger les variations de l’amplitude de l’onde électromagnétique

Optique - 2ème édition

L’optique géométrique est une bonne approximation tant que les dimensions du système étudié sont grandes devant la longueur d’onde de la lumière qui s’y propage Nous mon-trons alors que le principe de Fermat permet d’établir les lois de Snell-Descartes qui sont les fondements de l’optique géométrique

Cours d’Optique Instrumentale

III Optique géométrique L’optique ondulatoire est nécessaire pour décrire les phénomènes de polarisation et d’interférences, mais devient vite compliquée et très lourde à utiliser pour décrire les instruments d’optique De même la théorie corpusculaire à proprement parler n’est pas nécessaire à ce niveau là

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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 renoble

Sylvie Le Boiteux

Professeur à l'université Bordeaux I

Préfacé par

André Ducasse

Professeur à l'université Bordeaux I

2 e

édition

Illustration de couverture : Albert Arnaud

© Dunod, Paris, 2003

ISBN 2 10 006846 6

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à 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- copillage

Le 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 du

Centre français d'exploitation du

droit de copie (CFC, 20 rue des Grands-

Augustins, 75006 Paris).

annŽes soixantes et leur dŽveloppement extrmement 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- mme 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 faon 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 mme, lÕ optique physique

gŽnŽral des ondes ŽlectromagnŽtiques, ne peuvent plus tre prŽsentŽs de la mme

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 vite

PRÉFACE

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 dՐtre. 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 essentielles

Žtant 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 arrive

PréfaceVI

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 nouvelles

André 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 C

OMTESSE 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 par

lÕoptique 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.

AVANT-PROPOS

Remerciements

Pendant l'écriture de ce livre, nous avons bénéficié de l 'aide d'un grand nombre de col- lègues auquels nous voudrions rendre hommage. Nous voudrions tout d'abord remercier Bruno Chassagne, Bernard Pouligny et Jacques Baudon qui ont consacré beaucoup de temps à une lecture critique d u manuscrit. Nous souhaitons également témoigner des discussions toujours enric hissantes que nous avons pu avoir avec Laurent Sarger et autres enseignants et chercheurs de notre entou- rage. Enfin, nous remercions André Ducasse d'avoir accepté de préf acer cet ouvrage.

Les auteurs

Avant-proposIX

PrŽfaceV

Avant-proposVIII

Chapitre 1. La lumière et l'optique géométrique1

1. " Qu'est-ce que la lumière ? » : bref historique 1

2. La lumière dans le vide 3

3. Propagation de la lumière dans les milieux matériels 9

4. L'optique géométrique 11

5. Conclusion 13

Ë retenir14

QCM15

Exercices16

Solutions18

Chapitre 2. Du principe de Fermat aux lois de Snell-Descartes21

1. Principe de Fermat 21

2. Énoncé des lois de Snell-Descartes 26

3. Principe du retour inverse de la lumière 27

4. Interprétation des lois de Snell-Descartes 28

5. Construction géométrique du rayon réfracté par les surfaces d'indices

(construction de Huygens) 32

6. Approximation des petits angles : loi de Kepler 33

7. Applications 34

Ë retenir36

Annexe 1. Rappels sur les fonctions trigonomŽtriques38 QCM40

Exercices41

Solutions46

Chapitre 3. Le prisme53

1 Définitions 53

2. Influence d'un prisme sur la marche d'un rayon 54

3. Analyse des formules du prisme 55

4. Influence de l'angle

Adu prisme sur l'angle de déviation D59

5. Application aux mesures de l'indice absolu d'un milieu 60

6. Prismes à réflexion totale 64

Ë retenir69

QCM70

Exercices71

Solutions78

Chapitre 4. La vision des images et les conditions de Gauss87

1. Vision d'images 87

2. Critères de qualité d'un système 97

3. Images réelles et images virtuelles 100

4. Objets réels et objets virtuels 100

5. Classification des systèmes optiques 101

TABLE DES MATIéRES

Ë retenir102

Annexe 2. Vision du poisson sous lÕeau103

QCM107

Exercices108

Solutions112

Chapitre 5. Les dioptres sphériques119

1. Définitions119

2. De la loi de Snell-Descartes à la relation de conjugaison121

3. Analyse de la relation de conjugaison124

4. Étude des foyers d'un dioptre127

5. Autres formulations de la relation de conjugaison129

6. Relation de Newton130

7. Construction d'images à travers un dioptre sphérique131

8. Grandissement transversal ou transverse

134

9. Grandissement longitudinal g136

10. Déformation d'images à travers les dioptres sphériques 137

Ë retenir138

QCM140

Exercices141

Solutions145

Chapitre 6. Les miroirs sphériques151

1. Le miroir sphérique : définition 151

2. De la loi de Snell-Descartes à la relation de conjugaison

pour un miroir sphérique 153

3. Étude de la relation de conjugaison du miroir sphérique 155

4. Étude des foyers d'un miroir sphérique 157

5. Nature de l'image formée par un miroir sphérique 158

6. Autres formulations de la relation de conjugaison 159

7. Relation de Newton 161

8. Construction d'images à travers un miroir sphérique 161

9. Le grandissement transversal

et le grandissement longitudinal g164

10. Un miroir sphérique n'est pas stigmatique 165

11. Un miroir stigmatique est parabolique 167

Ë retenir167

QCM169

Exercices170

Solutions175

Chapitre 7. Les lentilles minces187

1. Lentilles minces : définition et symbole 187

2. Relation de conjugaison des lentilles minces 190

3. Foyers et plans focaux d'une lentille mince 192

4. Autres formes de la relation de conjugaison 193

5. Analyse de l'effet d'une lentille mince 194

6. Images et grandissement 194

7. Exemples de lentilles minces 199

8. Les lentilles accolées 201

9. Lentilles mince séparant deux milieux d'indice différent 202

Ë retenir203

QCM205

Exercices206

Solutions211

Table des matièresXI

© Dunod Ð La photocopie non autorisŽe est un dŽlit.

Chapitre 8. Les combinaisons ou associations219

1. Introduction 219

2. Formules universelles 220

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