PROPAGATION – REFLEXION – REFRACTION DE LA LUMIERE
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PROPAGATION – REFLEXION – REFRACTION DE LA LUMIERE
PROPAGATION – REFLEXION – REFRACTION DE LA LUMIERE L’OPTIQUE traite de toutes les lois concernant la lumi•re et les ph‚nom•nes de la vision 1. PROPAGATION : 1.1. Emission de la lumi€re : une source lumineuse est un corps qui •met de la lumi€re : - soit en la produisant lui-m‚me : soleil, lampe, feu, … - soit en renvoyant la lumi€re re„ue : c’est le cas de tous les objets •clair•s. En Optique G•om•trique on parle de 2 types de source de lumi€re : o source ponctuelle : la lumi€re est •mise † partir d’un point o source •tendue : la lumi€re est •mise sur une grande dimension Dans beaucoup de probl€mes on pourra admettre que la source est ponctuelle. 1.2. Transmission de la lumi€re : selon la nature du corps le comportement face † la lumi€re sera diff•rent : - corps transparent : se laisse traverser par la lumi€re : air , verre poli, eau, … - corps opaque : ne laisse pas passer la lumi€re : b•ton, bois, m•tal, … - corps translucide : laisse passer une partie de la lumi€re, sans pouvoir distinguer les formes : verre d•poli, calque, … 1.3. Propagation rectiligne de la lumi€re : - faits d’observation : rayons de soleil au travers des nuages, un rayon laser, les contours d’un faisceau de lampe de poche ou de phare de voiture - Principe : DANS UN MILIEU HOMOGENE ET TRANSPARENT, LA LUMIERE SE PROPAGE EN LIGNE DROITE - Applications : o Alignements optiques : comme les vis•es ou le jalonnement d’un terrain : Le piquet P3 est dans l’alignement des piquets P1 et P2 o Tous les probl•mes d’ombre et de p‚nombre o Application : les ph•nom€nes d’•clipse o Mesure d’une distance ou de la taille d’un objet : En appliquant le th‚or•me de d D Thal•s : = h H 2 o DIAMETRE APPARENT d’un objet : C’est l’angle sous lequel on voit l’objet . On peut •crire que : tan = d D 2. REFLEXION ET REFRACTION DE LA LUMIERE Quand la lumi€re frappe la surface de s•paration de 2 milieux transparents (par exemple air – eau), on observe un double ph•nom€ne : - une partie de la lumi€re incidente subit le ph•nom€ne de REFLEXION : la lumi€re est renvoy€e dans une direction privil•gi•e - une autre partie subit le ph•nom€ne de REFRACTION : la lumi€re p•n€tre dans le 2i€me milieu et subit un changement de direction de propagation Remarque : La r•partition de lumi€re incidente en lumi€re r•fl•chie et r•fract•e d•pend de : - l’angle d’incidence i - la nature du milieu travers• 3. REFLEXION DE LA LUMIERE 3.1. Lois de Descartes : N S Normale R Rayon incident Rayon r•fl•chi i r I miroir SI : rayon incident IR : rayon r•fl•chi IN : normale (perpendiculaire † la surface) Plan d’incidence : plan form• par le rayon incident et la normale Angle d’incidence : c’est l’angle entre le rayon incident et la normale Angle de r•flexion : c’est l’angle entre le rayon r•fl•chi et la normale LOIS DE DESCARTES : a- le rayon r•fl•chi est situ• dans le plan d’incidence b- les angles i et r sont •gaux : i = r 3.2. Image d’un objet dans un miroir plan Image A’B’ = sym•trique de AB par rapport au plan du miroir Image A’B’ = image virtuelle : ne peut pas ‚tre projet•e sur un •cran Image A’B’ a la m‚me taille que l’objet AB 3 Trac• des rayons r•fl•chis : - on place S’, sym•trique de S par rapport au plan du miroir - on trace les rayons incidents - pour obtenir les rayons r•fl•chis, la lumi€re semble provenir de S’ 4. REFRACTION DE LA LUMIERE 4.1. Lois de Descartes : On utilise un demi-disque transparent : - la face d’entr•e est PLANE = face d’•tude - la face de sortie est CICULAIRE pour •viter toute r•fraction † la sortie SI : rayon incident IR : rayon r•fract• NIN’ : normale † la surface i1 = angle d’incidence i2 = angle de r•fraction LOIS DE DESCARTES : a- le rayon r•fract• est situ• dans le plan d’incidence b- les angles i1 et i2 ob•issent † la loi : n1 et n2 sont les indices de r•fraction du milieu 1 et du milieu 2 Indice de r•fraction absolu : n = c v n1 sin i1 = n2 sin i2 avec c = vitesse de propagation dans le vide c = 3 . 108 m.s–1 v = vitesse de propagation dans le milieu Quelques valeurs d’indice de r•fraction : SOLIDES Verre ordinaire Plexiglas Cristal Verre au plomb Diamant Indice n 1,52 1,50 1,60 1,90 2,42 LIQUIDES Alcool Eau Ac•tone Benz€ne Sulfure de carbone Indice n 1,30 1,33 1,36 1,50 1,63 GAZ Air Dihydrog€ne Dioxyde de carbone VIDE Indice n 1,00029 1,00014 1,00045 1 4.2. Deux cas de figure a- La lumi€re passe dans un milieu PLUS REFRINGENT : n2 > n1 n1 sin i1 = n2 sin i2 Comme n2 > n1 Donc : i1 > i2 sin i1 > sin i2 L’angle d’incidence peut varier entre 0 et 90ƒ L’angle de r‚fraction varie entre 0 et (angle limite) 4 b- La lumi€re passe dans un milieu MOINS REFRINGENT : n2 < n1 n1 sin i1 = n2 sin i2 Comme n2 < n1 Donc : i1 < i2 sin i1 < sin i2 L’angle d’incidence peut varier entre 0 et l’angle limite L’angle de r‚fraction varie entre 0 et 90ƒ Calcul de l’angle limite : n1 sin = n2 sin 90ˆ n2 sin = n1 L’angle limite se trouve toujours dans le milieu avec l’indice le plus fort 4.3. Applications - Le b€ton bris• Les rayons lumineux issus du point A se r•fractent en s’•cartant de la normale lors du passage eau vers l’air . L’œil qui re†oit les rayons r•fract•s, va avoir l’impression que ces rayons proviennent du point A’. nous avons alors la sensation de voir l’objet BRISE Fontaines lumineuses et guides de lumi‚re - Les angles d’incidence i1 et i2 sont sup€rieurs • l’angle de r€fraction limite. Les rayons lumineux subissent alors le ph€nomƒne de r€flexion totale et la lumiƒre est canalis€e dans le tube Prisme ƒ r•flexion - L’angle de r€fraction limite verre/air est de 41„ environ. Les angles d’incidence i1 et i2 sont €gaux • 45„, donc les rayons lumineux subissent le ph€nomƒne de r€flexion totale et la lumiƒre ressort dans une direction privil€gi€e. Application dans divers instruments d’optique, appareils photo REFLEX, p€riscope, … lampe Endoscope / Fibres opiques Utilis• en m•decine, l’endoscope permet de filmer et de contr‚ler le fonctionnement des artƒres, poumons estomac, etc… Il est de plus en plus utilis• en chirurgie pour •viter les grosses op•rations. 5