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CHAPITRE I LA LUMIERE. INTRODUCTION La lumière est lensemble des radiations émises par: 1- Les corps portés à haute température (incandescence: Etat dun.

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1 CHAPITRE I LA LUMIERE

2 INTRODUCTION La lumière est lensemble des radiations émises par: 1- Les corps portés à haute température (incandescence: Etat dun corps quune température élevée rend lumineux ): a- Les lampes à incandescence ( à filament). b- Les étoiles( notre soleil ). c- Les bougies… 2- Les corps excités par diverses formes dénergies ( luminescence:Propriété dun matériau pouvant émettre de la lumière à basse énergie par excitation ): a- Tube à néon ( Tube à fluorescence). b- La lune.

3 EXPLICATION DU PHENOMENE DE LA LUMIERE La lumière a été expliquée par diverses théories. Les principales sont: A- La théorie ondulatoire. B- La théorie de lémission. C- La théorie des ondes électromagnétiques ( O.E.M ) par James Clerk MAXWELL (Edimbourg : ), ondes Hertziennes et Lumineuses sont de même nature.

4 A- THEORIE ONDULATOIRE Elle considère le phénomène de la lumière comme un moyen de transport dénergie dun point démission vers un récepteur en général lœil. Autrement dit, elle suppose que la lumière est un phénomène vibratoire qui se propage dans le milieu matériel considéré. La théorie ondulatoire explique les phénomènes dinterférence et de diffraction de la lumière. Cette théorie; associe à tout point éclairé par une lumière monochromatique une vibration lumineuse sinusoïdale S(t) telle que:

5 S(t)= a.sin(ω.t + Φ 0 ) A: amplitude ( en mètre). ω: pulsation( rd/ s ). Φ 0 : phase à t=0s ( en rd ). { mono: un, Chroma: couleur ) une lumière provenant dune source considérée comme formée dune seule couleur}. Schéma n0:1

6 Le temps ( T ) au bout du quel le phénomène se répète est appelé PERIODE TEMPORELLE (en seconde ). Son inverse ν = 1 /T (nu), est appelée fréquence ( f ) de la vibration lumineuse: f = ν = 1 / T (en Hz). La fréquence caractérise la couleur de la radiation monochromatique considérée: Chaque couleur monochromatique <> une seule couleur <> une fréquence unique.

7 A laide dinstruments astronomiques spéciaux on fait des observations, on obtient un spectre de raies démission et à chaque raie ( couleur ) on fait correspondre une seule fréquence et un élément chimique unique. QUESTION: COMMENT ON DETERMINE LES ELEMENTS CHIMIQUES QUI COMPOSENT LES PLANETES. T = 2.π /ω = 1/ν = 1/ f (en s)

8 –Schéma n°2 λ: La Longeur donde ( lambda ) en mètre ( m ). Φ ° = 2.π.d /λ en radian ( rd ) d : la distance parcourue par la lumière jusquau point ( M ). Si lon trace la courbe de propagation suivant laxe des (X ), on trouve le même mouvement sinusoïdal. Et ( λ ) est la distance au bout de laquelle le phénomène se répète. Elle est dite: PERIODE SPACIALE ( ) ou longueur donde de la vibration lumineuse (en mètre ).

9 B- THEORIE DE LEMISSION La théorie de lémission part de lidée que tous les corps chauds émettent dans toutes les directions des corpuscules ayant une grande vitesse donc de forte énergie. En 1887, HERTZ découvre leffet PHOTOELECTRIQUE : Si lon envoie sur un matériau métallique de la lumière, on constate le passage dun courant électrique dans un GALVANOMETRE ( G )-> cest un ampermètre qui mesure de faibles courants.

10 EXPERIENCE DE LEFFET PHOTOELECTRIQUE: Schéma n°3

11 EXPLICATION: Quand on éclaire la plaque métallique ( LA CATHODE ) par une radiation lumineuse de fréquence (ν ) donc monochromatique et dénergie ( E ), on constate quil y a passage dun courant dintensité ( I ). h: constante de PLANK Pour Albert EINSTEIN, la lumière est formée de particules (corpuscules ) appelées PHOTONS.

12 On dit que la lumière a une nature corpusculaire. Chaque photon transporte une énergie: ( E= h.v). h = J.S est appelée: constante de PLANCK Et une impulsion P= m.C, C= m/s vitesse de la lumière dans le vide appelée: célérité. Les photons venant de le source lumineuse entrent en collision avec les électrons du métal de la cathode.

13 - Si leur énergie ( E= h.v ) est supérieur à lénergie de liaison ( ) W des électrons atomiques, alors, les électrons sont arrachés avec ( en plus ) une énergie cinétique Ec. Puis, ils sont accélérés avec une différence de potentiel (d.d.p) U existante entre les deux électrodes. Les électrons entrent dans le circuit électrique par lintermédiaire de lanode ( ) ce qui va nous donner un courant électrique dans le Galvanomètre ( G ). La conservation de lénergie et la quantité de mouvement donnent léquation de leffet photoélectrique:

14 E = h.v = W + Ec = W +1/2. m.V 2 = h.C / λ; V: la vitesse de lélectron La fréquence v = C/ λ = 1 / T λ= C.T et E (ev) =12400/λ( en Å ) LEnergie: en électron-volt. - Si E = W, les electrons sont arrachés, restent à la surface du metal et sest la ( d.d.p ) U qui va accélérer les é,on a alors, un courant dans ( G ). -Si E < W : électrons non arrachés.IL ny a aucun courant dans (G).

15 C –THEORIE ELECTROMAGNETIQUE DE J.C. MAXWELL Dans la théorie des ondes électromagnétiques, J.C. MAXWELL, remarqua que les ondes électromagnétiques ( O.E.M ) étaient la résultante de la propagation dun champ électrique ( E ) et dun champ magnétique ( B ) perpendiculaires entre eux. Et de plus, les deux champs se propagent à la même vitesse que la lumière C.

16 Schéma n°1 et 2

17 Doù, lhypothèse de J.C.MAXWELL que la lumière résulte aussi, tout simplement, de la propagation de champs électrique ( E ) et magnétique ( B ). ORIGINE DE LA VIBRATION LUMINEUSE : Une onde ( E.M ) est engendrée par une charge électrique ( q ) en mouvement. Schéma n°3

18 En effet, les électrons de la matèreportés à haute température ( incandescence ) émettent plusieurs ondes ( O.E.M ), de fréquences élevées, se propageant à la vitesse de la lumière ( C ) dans le vide. Dautre part, cette même matière émet des radiations lumineuses visibles. En conclusion, on peut dire que la lumière naturelle est constituée dondes ( E.M ),de fréquences différentes et élevées, émises par la matière. Une radiation monochromatique nexiste pas réellement.

19 SPECTRE VISIBLE: Lintervalle des fréquences des ondes ( E.M) sétale de Hz à 10 3 Hz. Lœil humain nest sensible que dans la plage des fréquences comprisent entre 3, Hz et 7, Hz. A ces deux fréquences limites correspondent les longueurs dondes 0,8µm et 0,4µm. Donc, les ondes lumineuses noccupent quune petite partie de ce spectre. Cette partie est dite: >.

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22 PHENOMENE DES COULEURS: Le phénomène des couleurs des corps sexplique comme suit: Pour un corps qui apparaît de couleur, par exemple VERTE : Cest que quand il est éclairé par le soleil, il absorbe toutes les radiations du spectre visible mais il réflichit les radiations de la couleur VERTE qui correspondent à: 0,48 µm < λ <0,5 µm Et cest pour cela quil apparaît VERT.

23 - A chaque radiation il correspond une couleur et la combinaison de plusieurs radiation donne une couleur colorée. -La lumière blanche est la combinaison de toutes les couleurs du SPECTRE VISIBLE. - Le noir : est labsence des couleurs du SPECTRE VISIBLE.

24 TABLEAU DES COULEURS: Les longueurs dondes des radiations sont comprisent entre : La couleur de la lumiére engendrée: 0,48 µm et 0,50 µmVERTE 0,50 µm et 0,52 µmJAUNE 0,40µm et 0,80 µmBLANCHE Absence de radiations du SPECTRE VISIBLE LE NOIR

25 INDICE DE REFRACTION ABSOLUE DE LA MATIERE Dans le vide la lumiére se déplace à la vitesse: C = m/s. Quand la lumière traverse un milieu matériel homogène et isotrope, elle le fait avec une vitesse ( V < C ). Cest une caractéristique du milieu. On a décidé de caractériser le matériau transparent par le nombre ( n ) appelé indice de réfraction absolue du matériau, tel que: n = C / V par rapport au vide. n : est un nombre > 1.

26 n r Indice de réfraction par rapport à un matériau de référence. n r = V ( matériau de référence )/ V (matériau considéré) Exemple: n glace/ Benzene = V Benzene / V glace INDICE DE REFRACTION RELATIF DE LA MATIERE:

27 TABLEAU DE VALEURS MOYENNES DE ( n ): La matiére AIREAUQuartzVERREHuile specia le Diamant Valeur de (n) 1,0031, 331,45Crown de: 1,5 à 1,54 Flint de: 1,57 à 1,66 1,92,42

28 REMARQUE: L étude expérimentale tres poussée a montrée que lindice de réfraction sécrit: n = a + b/ λ 2 + c/ λ 4 + d/ λ 6 +……. Où a,b,c,d,…. Sont des constantes à déterminer pour chaque matériau. [ a -> constante ]; [b-> nm 2 ]; [c-> nm 4 ]; Etc… λ n verre Crownn verre Flint ROUGE 1,512 1,618 JAUNE 1,517 1,627 BLEU 1,521 1,635

29 EXERCICES SUR LA THEORIE DE LA LUMIERE: 1) Energie dun Photon: E = h.ע h = 6.6 1O -34 J.s et ע = C/ λ : fréquence en Hz. La célérité: C = m/s. a)Longueur donde minimale: λ min λ min = C/ ע max = / = = 3990 Å E max = h. ע max = x = J b) Longueur donde maximale: λ max λ max = C/ ע min = / = = 8810 Å E min = h. ע min = x = J

30 La fréquence radio 2) La fréquence radio ע est: ע = C / λ = / 10 = Hz = x ( 10 3 Hz )= KHz = 30.(10 3 KHz ) = 30 MHz 3) La longueur donde λ est: λ = C / ע = / = m = Å λ min=3990 λ max= 8810 עmin = λ ( Å ) ע( Hz ) ע max =

31 4) Lindice de réfraction ( absolu) est défini par: n = C / V C: la célérité = vitesse de la lumière dans le vide. V: vitesse de la lumière dans le matériau. Et puisque C est la plus grande dans lunivers donc,quel que soit V on a : C > V <> C/ V > V/ V <> C/ V > <> n > 1

32 5) n Benzene = 1.5 Comme: n = C / V Alors: V Benzene = C/ n Benzene A.N: V Benzene = / 1.5 = m/s 6) V lumière dans la glace = m/s Comme: n = C / V donc: n lumière dans la glace = C / V lumière dans la glace A.N: n lumière dans la glace = / = 1.30

33 7) Soit n( λ ) = a + b / λ 2 + …. a = 1.3 et b = 3025 nm 2 Pour: λ rouge = 700 nm et λ violet = 400 nm on a: n rouge = n ( λ rouge ) = /( ) = n violet = n ( λ violet ) = /( ) = Remarque: n[sans unité],donc a[sans unité] et aussi (b /λ 2 ) doit être[sans unité]. Ceci implique que b[ en nm 2 ] puisque λ[en nm].

34 LEXIQUE CHAPITRE I: LA LUMIERE INTRODUCTION: Lumière Radiations Incandescence filament Luminescence La théorie ondulatoire. La théorie de lémission. La théorie des ondes électromagnétiques ( O.E.M ) Ondes Hertziennes Ondes lumineuses A- THEORIE ONDULATOIRE: Point démission Un récepteur Phénomène vibratoire Se propager phénomènes dinterférence de la lumière Phénomène de diffraction de la lumière. Lumière monochromatique

35 une vibration lumineuse sinusoïdale A: amplitude ( en mètre). ω: pulsation( rd/ s ). Φ 0 : phase à t=0s ( en rd ). PERIODE TEMPORELLE fréquence ( f ) de la vibration lumineuse spectre de raies démission λ: La Longeur donde PERIODE SPACIALE B- THEORIE DE LEMISSION B- THEORIE DE LEMISSION: Corpuscules PHOTOELECTRIQUE La plaque métallique ( LA CATHODE) Un courant dintensité ( I ). une nature corpusculaire PHOTON collision


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