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Seconde Cours Thème 3 : Ondes et signaux

Chap 16 - Propagation des ondes lumineuses

SECTION 5

Notion 1. La réfraction

1- Propagation de la lumière La lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes et transparents. Dans le vide, c’est une grandeur finie et limite qui vaut : c = 299792458 m.s-1 ou 3,00.108 m.s-1 Plus le milieu devient dense, plus la vitesse diminue.

L’indice de réfraction vitesse de la lumière dans le vide

nvitesse de la lumière dans le milieu considéré

milieu

cn

v

Pour une longueur d’onde donnée.

2- Réflexion et réfraction On appelle réflexion de la lumière le changement de direction que la lumière subit en atteignant la surface de séparation entre deux milieux transparents et qui reste dans le premier milieu. On appelle réfraction de la lumière le changement de direction que la lumière subit à la traversée de la surface de séparation entre deux milieux transparents.

. Le rayon lumineux qui arrive sur la surface de séparation entre les deux milieux est le rayon incident. . Le point (I) où le rayon incident arrive sur la surface est le point d'incidence. . Le rayon lumineux qui se propage dans le premier milieu, après réflexion, est le rayon réfracté. . Le rayon lumineux qui se propage dans le deuxième milieu, après réfraction, est le rayon réfracté. . La droite (imaginaire) perpendiculaire en I à la surface de séparation est la normale au point d'incidence. . L’angle entre le rayon incident et la normale est l'angle d'incidence i1; l'angle entre le rayon réfracté et la normale est l'angle de réfraction i2; l'angle entre le rayon réfléchi et la normale est l'angle de réflexion r. . Le plan contenant le rayon incident et la normale au point d'incidence est le plan d'incidence.

3- Les lois de la réflexion et de la réfraction Ce sont les lois de Snell-Descartes Première loi:

Le rayon incident, le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan

perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux : le plan d’incidence

Seconde loi de la réflexion:

L'angle d'incidence et l'angle de réflexion sont égaux : i1 = r

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Seconde loi de la réfraction:

L'angle d'incidence et l'angle de réfraction sont reliés par la relation : n1sin i1 = n2sin i2 où n1 et n2, appelés indices de réfraction, caractérisent les milieux transparents l et 2.

4- Dispersion de la lumière a. L’expérience de newton

Une source de lumière blanche suivie d’un condenseur et d’une fente, on observe sur l’écran l’image de la fente. Interposons un prisme sur le trajet lumineux, il se forme une figure étalée avec les couleurs de l’arc-en-ciel.

b. Les radiations monochromatiques Le prisme dévie différemment les radiations monochromatiques composant la lumière blanche qui est une lumière polychromatique. A toute radiation monochromatique on associe une longueur d’onde précise. Les filtres permettent de ne laisser passer qu’un faible domaine de radiations lumineuses de longueur d’onde appartenant à un domaine très étroit.

c. La lumière blanche Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière blanche ?

Tout d’abord, le verre est un milieu dispersif pour la lumière, c'est-à-dire

que la vitesse dépend de la fréquence, donc de la longueur d’onde, donc de

la couleur.

Dans le verre, la vitesse de la radiation rouge est différente de la vitesse de

la radiation bleu vR vB

L’indice de réfraction n =milieuv

c n’est pas le même pour le rouge et le

violet ou bleu B

BR

R v

cnn

v

c

Lorsque la lumière passe de l’air au verre, on peut appliquer la deuxième lois de Descartes de la réfraction n1 . sin i1 = nR . sin iR

= nB . sin iB Les indices étant différents, les angles de réfraction sont différents pour le rouge et le bleu, ils sont séparés et la lumière blanche est décomposée A la sortie, il y a différents points d’incidences et les rayons s’écartent encore plus on obtient un spectre continu.

d. Diffraction par un réseau Il est possible de décomposer la lumière à l’aide d’un réseau. Un réseau de diffraction est un dispositif optique composé d'une série de fentes parallèles (réseau en transmission), ou de rayures réfléchissantes (réseau en réflexion). Ces traits sont espacés de manière régulière, l'espacement est appelé le « pas » du réseau.

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On obtient la même figure qu’avec un prisme, mais elle est multipliée symétriquement par rapport à l’image centrale de la fente. SECTION 13 Notion 2. Modélisation de l’œil par une lentille 1- La lentille mince convergente Une lentille est un bloc transparent en verre ou en plastique dont au moins une face n’est pas plane, on les trouve dans les instruments d’optique (lunette, loupe, appareil photos…)

Une lentille à bords minces provoque la convergence du faisceau, plus une lentille est bombée, plus elle est convergente.

3- Quelles sont les caractéristiques d'une lentille convergente ?

a) Centre optique

Expérience

Conclusion: Tout rayon passant par le centre optique n’est pas dévié L’axe optique est la droite perpendiculaire à l’axe de la lentille

b) Foyers et distance focale

Expérience:

Observations : Les faisceaux convergent tous au même point F’ appelé foyer image de la lentille Conclusion:

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Tout rayon parallèle à l’axe optique ressort par le foyer image OF’ = f’ est la distance focale de la lentille Expérience :

Observations: Il existe une position particulière pour laquelle le faisceau lumineux émerge parallèlement à l’axe optique de la lentille. Conclusion : Un faisceau lumineux provenant d’un point F tel que FO = OF’= f’ émerge parallèlement à l’axe optique Le point F est appelé foyer objet de la lentille f =- f’ est appelée aussi distance focale 2- Détermination graphique d’une image En utilisant la « méthode des trois rayons » on détermine la position et la taille de l’image en fonction de la position de l’objet sur l’axe. Schéma 1 : Objet entre l’infini et le foyer et AO > 2 f’

L’image est renversée plus petite que l’objet –1 < 0 Schéma 2 : Objet entre l’infini et le foyer et f’ < AO < 2 f’

L’image est renversée plus grande que l’objet –1

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3- Modèle réduit de l’œil 1- Le modèle de l'œil ou œil réduit

Lorsque la lumière pénètre dans l'œil d’une personne que traverse-t-elle ? Que rencontre-t-elle ? Lorsque la lumière pénètre dans l'œil d'une personne, elle traverse tout d'abord l'ensemble pupille-iris puis le cristallin et elle rencontre enfin la rétine. Pour le physicien, l’œil est constitué de trois parties principales : L'ensemble pupille-iris qui joue le rôle de diaphragme (ouverture circulaire de diamètre variable) ; Le cristallin qui joue le rôle de lentille; La rétine qui joue le rôle d'écran. Le rôle de ces trois organes nous permet d'établir une analogie entre l'œil et un instrument d'optique que l'on nommera œil réduit. Pour constituer l'œil réduit nous utilisons une ouverture circulaire, une lentille convergente et un écran situé dans le plan focal image de la lentille.

2- Formation de l'image rétinienne Expérience : Observer un objet lointain, visible des fenêtres de la salle de classe, au travers de l'oeil réduit. Observations: On observe sur la rétine une image nette mais renversée Conclusion : L’œil normal voit nettement les objets éloignés. L’image est nette et renversée.

Cristallin

Pupille

Iris

Rétine

Pupille = ouverture circulaire

Cristallin = lentille

Rétine = écran