C4 : optique géométrique

(1)

: Optique géo métrique

Thème 3 : Ondes et signaux

p. : ………

 C4 : optique géométrique

Degré d’autonomie :

NOM :

………

Objectifs du livret d’évaluation : Durée : 3 semaines

Je travaille seul(e) en silence

Je chuchote pour aider ou être aidé. Seul mon voisin m’entend

Je travaille en équipe et parler à voix basse sans déranger mes voisins.

Consulter les ressources disciplinaires : Capsule n°47 …/…

Capsule n°48 : …/…

Comprendre/Acquérir :

Activité : 

Compléter le chapitre 4 

Mémoriser :

Fiche de mémorisation  Carte mentale 

Se tester :

Lire les objectifs du trimestre

Se tester avec les QCM et animations Revoir les capsules et améliorer ses scores Consulter les ressources méthodologiques



La modélisation 



Conversion d’unité 



Changer une formule littérale 

Mettre en pratique :

Vers une loi de la réfraction  Les lentilles 

Pré-requis : Score : ……… / 10

(2)

Chapitre 4 : Optique géo métrique

T3 Chapitre 4 Optique géométrique

L’être humain perçoit le monde à l’aide de signaux dont certains sont de nature sonore, ou encore lumineux. Il a été vu au collège les différentes sources de lumière :

 les sources primaires qui sont capable d’émettre leur propre lumière, ou encore

 les sources secondaires, seulement capable de renvoyer la lumière qui les éclaire.

Mais également, le mode de propagation de la lumière au travers du modèle du rayon lumineux.

Contrairement au son, qui est une onde mécanique, la lumière est une onde électromagnétique : elle est capable de se déplacer dans le vide.

I. Les lois de Snell‐Descartes

Lorsque la lumière passe d’un milieu vers un autre milieu, elle peut subir 2 phénomènes :

 La ………. : Une partie de la lumière est réfléchie par la surface séparant les deux milieux, aussi appelée dioptre.

 La ……… : l’autre partie de la lumière est déviée dans le second milieu

1. Un peu de vocabulaire

Pour utiliser les lois de Snell Descartes, il faut nommer les différents rayons et les différents angles :

Rayon ………. : rayon qui arrive sur la surface de séparation.

Point d’incidence P : Point précis où le rayon incident touche la surface de séparation

Rayon ……… : rayon renvoyé par la surface de séparation.

Rayon ……… : rayon pénètrant dans le nouveau milieu, appelé milieu de réfraction.

RQ : les angles portent également un nom spécifique à connaitre.

EXERCICE 3, 4, 5, 6, 12 p.6 (ou p.240, 241 de votre livre)

2. L’indice de réfraction

L’indice de réfraction rend compte de la capacité d’un matériau (transparent) à ……….. la lumière.

C’est un nombre sans unité caractéristique du matériau : chaque matériau à son propre indice :

Milieu Eau Verre Diamant

Indice de réfraction 1,33 1,5 2,42

3. Les lois de Snell‐Descartes a. Lois de la réflexion

Les rayons incident et réfléchi, et la normale sont dans le même

………..…. ; l’angle d’incidence est égale à l’angle réfléchi : ……….

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: Optique géo métrique

b. Loi de la réfraction

Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont dans le même ……… . L’angle de réfraction r est lié mathématiquement à l’angle d’incidence i par la relation : ………..

Où n1 est l’indice du milieu d’incidence et n2 est l’indice du milieu de réfraction.

EXERCICE 8, 9, 7, 14, 17, 28 p.6 (ou p.240 à 244 de votre livre)

4. Phénomène de dispersion : les milieux dispersifs

Certain matériau, comme l’eau ou le verre flint ont un indice variable : en effet sa valeur dépend de la longueur d’onde (λ) de l’onde incidente.

Ainsi le verre flint est davantage dispersif pour les rayon de courtes longueurs d’onde ; concrètement, cela signifie que les radiations bleues sont ……… déviées que les radiations rouges :

La dispersion de la lumière par un système dispersif entraine sa

………... C‘est ce phénomène que l’on utilise pour faire des spectres. Le prisme est un système dispersif, mais il y a aussi les réseaux.

RQ : L’eau est un milieu dispersif, c’est ce qui explique l’observation des arcs en ciel. La lumière du Soleil est dispersée au sein de la goutte puis renvoyé vers le sol où l’on peut voir l’arc en ciel.

EXERCICE 4, 5, 13 p.6 (ou p.258, 259 de votre livre)

II. Les lentilles

1. Petit rappel du modèle du rayon lumineux

On rappelle que le rayon lumineux est un concept imaginé pour représenter le trajet de la lumière lors de son déplacement de la source (l’émetteur) vers l’observateur (le récepteur). Cette modélisation considère le trajet d’une UNIQUE particule de lumière (le photon), ce qui n’est jamais le cas dans la réalité …

RQ : des sources single-photon ont été mises au point pour les besoins de la recherche, mais ce sont des dispositifs très ingénieux que l’on ne rencontre pas dans la vie courante !

https://www.youtube.com/watch?v=_kGqkxQo-Tw

2. Les deux types de lentilles

Il existe deux types de lentilles : les lentilles ……… et les lentilles ……… :

Radiation rouge Bleu

Indice de réfraction 1,60 1,65

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Chapitre 4 : Optiq ue géo métriq ue

Lentille ……….. : fait diverger Lentille ……….. : fait converger les faisceaux lumineux. les faisceaux lumineux.

Pour différentier une lentille convergente d'une lentille divergente, il suffit de faire glisser ses doigts le long de la lentille : - si son épaisseur est fine aux bords et grande au centre : c'est une lentille convergente.

- si son centre est fin et ses bords épais, c’est une lentille divergente.

3. Image d’un objet à travers une lentille convergente, montage

Pour obtenir une image à travers une lentille d’un objet lumineux, on utilise le montage suivant : Les rayons lumineux issus de la diapositive (l’objet) traversent la lentille et viennent illuminer l’écran de l’image de l’objet à travers la lentille. En bougeant l’écran, on obtient une image nette de la diapositive.

4. Schématisation d’une lentille convergente, distance focale

Une lentille se schématise avec une flèche double verticale :

Lorsqu'un objet lumineux se situe à une distance dite distance focale de la lentille alors son image est

toujours nette sur l’écran quelque soit la position de l’écran. Ce point particulier s'appelle le foyer objet F et sa distance à la lentille s'appelle distance focale f ou FO, O étant la position de la lentille, appelé centre optique. Il existe également un foyer image du côté de l’image, placé lui aussi à la distance égale à la distance focale de la lentille. L’axe optique est un axe de symétrie, il passe par le centre de la lentille.

En bref :

EXERCICE 1, 3, 10, 13 p.6 (ou p.276, 277 de votre livre)

(5)

: Optique géo métrique

5. Trouver géométriquement l’image d’un objet

Pour schématiser le trajet d’un rayon lumineux traversant une lentille convergente, il faut commencer par faire le schéma précédent. Et savoir que (c’est toujours vrai) :

 Tout rayon passant par le centre optique O de la lentille n’est pas dévié.

 Tout rayon incident parallèle à l’axe optique à la lentille sort en passant par le foyer image F’ de la lentille.

 Tout rayon passant par le foyer objet F de la lentille émerge parallèlement à l’axe optique.

6. Le grandissement

Le grandissement gamma

𝛾

donne la proportion de taille entre la taille AB de l’objet et la taille A’B’ de l‘image obtenue à travers la lentille :

𝛾

Attention : le grandissement n’a pas d’unité

Il nous permet de savoir si la taille de l’image obtenue est plus grande ou plus petite que l’originale :

 Si

𝛾

^{> 1}

,

alors la taille de l’image est plus grande que la taille de l’objet

 Si

𝛾

< 1

,

alors la taille de l’image est plus petite que la taille de l’objet

7. Application : modélisation de l’œil

Faire l’activité l’œil, un système optique (page suivante)

Il est possible de modéliser l’œil à l’aide d’un système optique.

En effet le rôle

 de l’iris peut être modélisé par un ………,

 de la cornée et de l’humeur aqueuse peut être modélisé par une ……….. ………. .

 La rétine, quant à elle, reçoit la lumière : elle peut être modélisée par un ………. :

EXERCICE 2, 4, 5, 6, 7, 12, 15, 22, 25 p.10 (ou p.276 à 280 de votre livre)

(6)

Chapitre 4 : Optique géo métrique

Activité : L’œil un système optique

Hatier p. 270 étude documentaire

(7)

: Optique géo métrique

Chapitre 4 Exercices

Ex 3, 4, 5, 6 p. 240

Ex 12 p.241

Ex 8, 9, 7 p.240

(8)

Chapitre 4 : Optique géo métrique Ex 14 p.241

Ex 17 p.241

Ex 28 p. 244

(9)

: Optique géo métrique Ex 4, 5 p. 258

Ex 13 p. 259

Ex 1, 3 p.276

Ex 10 p.277

Ex 13 p.277

(10)

Chapitre 4 : Optique géo métrique

1 Ex 2, 4, 5, 6, 7 p.276

Ex 12 p.277

Ex 15 p. 277

(11)

Chapitre 4 : Optique géo métrique

Ex 25 p. 280

(12)

Chapitre 4 : Optiq ue géo métriq ue

1

Onde et signaux

A la découverte d’une loi

C 3 : signal lumineux

NOMS : ………

Deux illustres savants ont cherché à traduire le phénomène de réfraction par une loi reliant l’angle d’incidence à l’angle de réfraction. Pour Johannes Kepler, astronome allemand (1571 – 1630), une relation de proportionnalité lie les angles d’incidence et de réfraction tant que l’incidence reste suffisamment faible. Pour René Descartes, philosophe, mathématiciens et physiciens français (1596 – 1650), ce sont les sinus des angles de réfraction et d’incidence qui sont proportionnels.

Lequel de ces deux scientifiques a proposé une loi plus en accord avec la réalité du phénomène ?

I. Expériences

1. Présentation du dispositif expérimental

Avec la source lumineuse, viser le demi-cylindre de plexiglas sur sa face plane, en dirigeant le rayon incident perpendiculairement à la face plane et en son centre. Puis régler le dispositif de façon à ce que l’angle d’incidence i est une valeur de 40° : i = 40° (voir figure ci-contre).

1. Tracer alors une figure en plaçant : le point d’incidence P, la droite normale (N), le rayon incident et le rayon réfracté, l’angle d’incidence i et l’angle de réfraction r

2. Mesures

A l’aide du matériel, proposer une démarche expérimentale pour tester la proposition de loi de chaque savant.

2. Appeler le professeur afin de vérifier votre démarche.

3. Faire varier l’angle d’incidence i de 10° en 10°, en commençant par i = 0° et jusqu’à i = 80° et mesurer les valeurs correspondantes de l’angle de réfraction r. Noter vos résultats dans le tableau :

i (degré) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

r (degré)

sin i

sin r

Attention : il est impératif que le point d'incidence P soit bien au centre du demi-cylindre tout au long de l’expérience.

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Chapitre 4 : Optique géo métrique II. Exploitation

Proposition de Kepler :

4. Tracer le graphe correspondant à r en fonction de i : r = f (i). C'est-à-dire r en ordonnée et i en abscisse.

5. Quelles particularités (2) possède le graphique d’une relation de proportionnalité ? 6. Déterminer dans quel intervalle de valeurs de i la loi de Kepler peut être validée.

Proposition de Descartes :

7. Calculer les grandeurs sin(i) et sin(r) pour chaque mesure (utiliser le tableau), puis tracer, le graphe correspondant à sin(r) en fonction de sin(i) : sin(r) = f(sin(i)).

8. La loi proposée par Descartes peut-elle être validée quelle que soit la valeur de l’angle d’incidence i ?

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Chapitre 4 : Optique géo métrique

1

Onde et signaux

Analyse et exploitation d’une loi

C 3 : signal lumineux

NOMS : ………

L’indice d’un milieu traduit la capacité de ce milieu à ralentir la lumière : plus l’indice est élevé et plus le matériau ralentit la lumière. En utilisant les données du précédent TP, il est possible de remonter à la valeur de l’indice du plexiglass utilisé lors du TP.

Comment trouver l’indice d’un milieu à partir de mesure d’angle de réfraction ? On rappelle les valeurs :

i (degré) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

r (degré)

0 7 13 19 25 31 35 39 41

sin i

sin r

1. Calculez les sinus des différents angles, puis tracer la courbe sin i = f(sin r)

2. Calculez le coefficient directeur de la droite sin i = f(sin r) et écrivez la relation mathématique entre sin i et sin r .

La loi de Descartes indique que

: sin 𝑖 sin 𝑟

; où n2/n1 est le coefficient directeur calculé. Vous disposez de la valeur de . Le milieu 1 est l’air, son indice de réfraction vaut n1 = 1,00

9. Donnez la valeur de l’indice de réfraction du plexiglas dont est composé de demi-cylindre.