Généralités sur l’optique Optique géométrique PCSI

Qu’est ce que l’optique ? Optique géométrique PCSI Domaine de la physique traitant des propriétés de la lumière visible par l’œil ou pas. On distingue en général l’optique géométrique (étude des rayons lumineux et la formation des images par un instrument d’optique) de l’optique physique (nature ondulatoire de la lumière).

Ce que vous savez déjà : Optique géométrique PCSI Décomposition de la lumière par un prisme; spectres d’émission et d’absorption; notion de rayon lumineux et lois de Descartes pour la réfraction rencontrées en classe de seconde. Formation d’images par des systèmes optiques (miroir, lentille, lunette) rencontrée en première. Modèle ondulatoire de la lumière développée en terminale à la suite du travail sur les ondes mécaniques.

Généralités sur l’optique Optique géométrique I - Du rayon lumineux à la dualité onde - corpuscule II - Les sources de lumière

Du rayon lumineux à l’électrodynamique quantique Optique géométrique PCS 1) Modèle géométrique 2) Modèle ondulatoire 3) Modèle corpusculaire 4) Dualité onde - corpuscule

1) Modèle géométrique AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM EUCLIDE (4 e - 3 e avant J.-C, Alexandrie, contemporain de Ptolémée I) : notion de rayon lumineux. Optique géométrique ALHAZEN physicien arabe (10 e - 11 e ) attribue à la lumière une origine extérieure à l'oeil. Il travaille sur la réfraction de la lumière.

AAM GALILEE (16 ième -17 ième ) fabrication des premières lunettes. Observations de taches à la surface du Soleil, mise au point d’un microscope. Optique géométrique PCSI

AAM DESCARTES (17 e ) modélisation corpusculaire de la lumière (impose une vitesse de la lumière plus grande dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience). Optique géométrique PCSI

AAM FERMAT (fin 17 e ) principe de moindre temps. Vitesse de la lumière plus petite dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience). Optique géométrique PCSI Le trajet parcouru par la lumière entre deux points est toujours celui qui optimise le temps de parcours.

2) Modèle ondulatoire AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM HUYGENS (17 e ) propose une théorie ondulatoire permettant de retrouver les résultats de l'optique géométrique et compatible avec une vitesse de la lumière plus faible dans les milieux matériels que dans l'air. Il découvre Titan un satellite de Saturne, observe la nébuleuse d’Orion, travaille sur l’isochronisme des oscillations d’un pendule. Optique géométrique PCSI

AAM YOUNG (début du 19 ième ) : En 1801, il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles, et le projette sur un écran. La lumière est diffractée au passage des fentes et produit sur l'écran des franges d'interférence, c'est-à-dire une alternance de bandes éclairées et non- éclairées. Young en déduit la nature ondulatoire de la lumière. Optique géométrique PCSI Animation sur les fentes de Young

AAM FRESNEL (début du 19 ième ) : En 1815, Fresnel, pose les bases de la théorie ondulatoire. Réalisation d’expériences sur la diffraction de la lumière. Optique géométrique PCSI Animations sur la diffraction d’ondes mécaniques et de la lumière

AAM MAXWELL (deuxième partie du 19 ième ) la lumière est une onde électromagnétique se propageant à une vitesse c = m.s -1 dans le vide (en fait il mesure expérimentalement 3, m.s -1 ). Il travaille sur la perception des couleurs (daltonisme), la théorie cinétique des gaz et l’électromagnétisme (équations de Maxwell). Optique géométrique PCSI Dans son article de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field Maxwell écrit : « L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. »

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI Vitesse de propagation dans le vide : c = m.s -1 c est d’environ m.s -1. La lumière peut se propager même en l’absence de milieu matériel, c’est-à-dire même dans le vide (contrairement aux sons ou aux vagues de la mer).

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI La lumière étant une onde, on définit : - sa période temporelle T (en s), - sa fréquence f = 1 / T (en s -1 ou Hz) -sa longueur d’onde spatiale λ (en m) λ = c.T = c/f

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI Dans un milieu matériel : La lumière se propage à une vitesse v plus faible que dans le vide. Si v désigne la vitesse de la lumière dans le milieu, on définit l’indice de réfraction n du milieu par : n = c/v L’air a un indice de réfraction de l’ordre de 1, (à 1 bar et 0°C) qui sera souvent assimilé à 1.

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI Indice du verre : de 1,5 à 1,7 (selon la nature du verre) Indice de l’eau : de l’ordre de 1,33 La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la fréquence (c’est- à-dire de la couleur) de la lumière.

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la longueur d’onde (c’est-à-dire de la couleur) de la lumière. On peut dans certains cas modéliser ce phénomène par la loi de Cauchy :

La théorie ondulatoire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI A et B dépendent des propriétés microscopiques du milieu. λ rouge > λ bleu n bleu > n rouge V rouge >v bleu On voit alors que parfois, dans un milieu matériel, le bleu se propage moins vite que le rouge (contrairement au vide où toutes les couleurs se propagent toujours à la même vitesse). On appelle ce phénomène : dispersion de la lumière.

3) Modèle corpusculaire AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM NEWTON (fin 17 ième, début 18ième) : Dans son traité Opticks de 1704, Newton expose sa théorie de la lumière. Il la considère composée de corpuscules très subtils. La matière ordinaire est constituée de plus gros corpuscules. Optique géométrique PCSI

AAM Les découvertes de l'effet, photoélectrique et. du rayonnement, du corps noir conduisent. PLANCK et. EINSTEIN (20 ième ) à revenir à un modèle corpusculaire Optique géométrique PCSI

La théorie Corpusculaire Quelques caractéristiques de la lumière Optique géométrique PCSI La lumière est une sorte de flux de « grains d’énergie », appelés photons. Chacun de ces photons : - a une masse nulle - se déplace à une vitesse c = 2, m.s -1 dans le vide -son énergie est E = h f, où h est la constante de Planck et f la fréquence du photon (fréquence de la « lumière associée »). Constante de Planck : h = 6, J.s

4) Dualité onde - corpuscule AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM Louis de Broglie (1924) la lumière n’est ni seulement un flux de photons, ni seulement une onde, mais les deux à la fois. C’est la dualité onde-corpuscule, Optique géométrique PCSI

AAM Expériences des fentes d’Young avec des électrons Optique géométrique PCSI

AAM Optique géométrique PCSI Cette expérience a pu être réalisée pour la première fois en 2004 par l’équipe de Jean-François Roch (Laboratoire de photonique quantique de l’ENS Cachan) Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrent Que se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ?

AAM Optique géométrique PCSI Dans un faisceau laser, des milliards de photons interfèrent Que se passe-t-il avec 1 seul photon ? Interfère-t-il avec lui-même ?

Les sources de lumière Optique géométrique PCSI 1)Sources à spectre continu 2)Sources à spectre de raies ou de bandes 3)Cas particulier du LASER

1) Sources à spectre continu AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe du rayonnement du corps noir. Tout corps porté à l’incandescence et maintenu à une température T constante, émet un rayonnement électromagnétique formant un large spectre continu. Optique géométrique PCSI

AAM Le spectre de lumière émise a l’allure suivante, où l’on représente l’intensité lumineuse spectrale émise en fonction de la couleur. La loi de Wien (Allemand, 19 ième, 20 ième ) relie la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse émise à la température du corps noir : plus un corps est chaud, plus son maximum d’intensité se trouve vers le bleu et l’UV. Optique géométrique PCSI

2) Sources à spectre de raies ou de bandes AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM Ces sources de lumière fonctionnent sur le principe de l’émission spontanée par des atomes gazeux. On excite les atomes gazeux de la lampe par des décharges électriques. Le retour dans les états d’énergie inférieure s’effectue spontanément par émission de photons. Optique géométrique PCSI

AAM Les niveaux d’énergie des atomes étant quantifiés, on obtient une lumière émise formée de raies étroites de lumière. Optique géométrique PCSI

AAM Optique géométrique PCSI Mercure Sodium

AAM Optique géométrique PCSI Hélium Néon

3) Cas particulier du laser AAM avril 2011 Optique géométrique PCSI

AAM (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) C’est une source de lumière monochromatique. Le faisceau lumineux est très fin et directif. Le laser le plus utilisé en TP est le laser Hélium-Néon, de couleur rouge (632,8 nm) Optique géométrique PCSI

Sources Optique géométrique Olivier Garnier : Cours de pcsi de M Decout : e_bases_optique_geometrique.pdf e_bases_optique_geometrique.pdf