Opt 1 : F ONDEMENTS DE L ’ OPTIQUE GEOMETRIQUE .

PCSI Physique

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Opt 1 : F ONDEMENTS DE L ’ OPTIQUE GEOMETRIQUE .

L’optique est le domaine de la physique consacré à l’étude des phénomènes lumineux. D’abord développée comme une discipline à part entière, elle sera rattachée à la fin du XIX^e siècle à la théorie de l’électromagnétisme, puis au début du XX^e siècle Einstein en donnera une interprétation corpusculaire ouvrant la voie au développement de la mécanique quantique.

En optique classique (par opposition à l’optique quantique), la lumière est considérée comme une onde : c’est l’optique ondulatoire, dont les lois seront étudiées en seconde année. On se limitera cette année à un cas particulier : l’optique géométrique, dans laquelle on peut décrire le comportement de la lumière à l’aide de rayons lumineux.

L’optique géométrique est suffisante dans la plupart des cas pour décrire le fonctionnement des instruments d’optique usuels : loupe, lunette astronomique, télescope, appareil photographique, rétroprojecteur...

I. L

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1. Ondes électromagnétiques lumineuses.

a. Rappels sur les ondes progressives sinusoïdales.

b. Ondes progressives électromagnétiques.

c. Le spectre électromagnétique.

d. Dualité onde-corpuscule.

2. Les principales sources lumineuses du laboratoire.

a. Lampes à incandescence : spectre continu de lumière « blanche ».

b. Les lampes spectrales : spectres de raies.

c. Les lasers.

d. Puissance lumineuse des sources.

3. Propagation des ondes électromagnétiques lumineuses.

a. Propagation dans le vide.

b. Propagation dans les milieux matériels.

4. Récepteurs d’ondes électromagnétiques lumineuses.

II. N

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1. Approche intuitive. a. Visualisation.

b. Energie.

c. Indépendance des rayons.

2. Approximation de l’optique géométrique.

3. Le modèle du rayon lumineux.

III. L

S

D

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1. Passage d’un milieu moins réfringent dans un milieu plus réfringent : angle de réfraction limite.

2. Passage d’un milieu plus réfringent dans un milieu moins réfringent : reflexion totale.

3. Réfraction dans un milieu non homogène.

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Questions de cours

1. Quand dit-on qu’une onde est progressive ? Transversale ? Harmonique (= sinusoïdale monochromatique) ? Quelles sont les grandeurs caractéristiques d’une onde harmonique ? 2. Une onde électromagnétique harmonique de longueur d’onde λ=6.10 m⁻⁷ se propage dans le

vide. Quelle est la fréquence de cette onde ? Cette fréquence appartient-elle au domaine des fréquences radioélectriques ? des fréquences optiques ? des fréquences du rayonnement gamma ? 3. Quel est le domaine de longueur d’onde des ondes lumineuses Y situer l’infrarouge et l’ultraviolet. Quelle est la longueur d’onde généralement associée au rouge ? Quelle est la couleur associée à λ=550nm ?

4. Présenter les 3 principaux types de sources lumineuses disponibles au laboratoire ainsi que leur principales caractéristiques.

5. Comment visualiser un faisceau laser ? dans l’air très propre ? dans l’air avec des poussières ? Justifier.

6. Définir l’indice de réfraction d’un milieu transparent. Quelle est l’inégalité généralement vérifiée par cet indice ?

7. En quoi consiste l’approximation de l’optique géométrique ? Comment peut-on mettre en évidence ses limites ?

8. Exposer les différentes caractéristiques du modèle du rayon lumineux.

9. Enoncer avec précision les lois de Snell-Descartes.

10. Qu’advient-il d’un rayon venant de l’air lorsqu’il rencontre la surface de l’eau ?

11. Un rayon lumineux passe d’un milieu d’indice n₁ dans un milieu d’indice n₂>n₁. Quel est le plus grand angle de réfraction qu’on puisse observer ? Comment l’appelle-t-on ?

12. Quel phénomène assure le confinement des rayons lumineux dans une fibre optique ?

Objectifs Savoirs :

Avoir quelques notions sur la nature ondulatoire de la lumière (ondes électromagnétiques, dualité onde-corpuscule).

Connaître les différentes sources lumineuses disponibles au laboratoire ainsi que leurs caractéristiques.

Connaître le modèle du rayon lumineux.

Connaître ET pouvoir justifier la limite de validité de l'optique géométrique.

Savoir énoncer précisément les lois de Snell-Descartes.

Savoirs faire :

Utiliser les lois de Snell-Descartes.

Déterminer des angles de réfraction limite et de réflexion totale.