ASPECTS ONDULATOIRES DE LA LUMIÈRE

1. Modèle ondulatoire de la lumière.

Modèle ondulatoire de la lumière. 1.1. Phénomène ondulatoire.

Onde : grandeur physique qui se propage dans l’espace avec une certaine célérité .

Exemple : la houle.

À la notion d’onde est associée la notion de périodicité. Exemple : la houle. À la notion d’onde est associée la notion de périodicité.

Une onde se propage sans transfert de matière,

1.2. L’onde lumineuse.

C’est une onde électromagnétique ;

C’est une onde électromagnétique ; Un champ électrique E. Il se propage : Un champ magnétique B.

C’est une onde électromagnétique ; Un champ électrique E. Il se propage : Un champ magnétique B. Elle se propage sans support matériel.

C’est une onde électromagnétique ; Un champ électrique E. Il se propage : Un champ magnétique B. Elle se propage sans support matériel. Célérité c = 299 792 458 m.s-1 ~ 3.108 m.s-1

L’onde plane : Sens de la lumière

Le champ électromagnétique est perpendiculaire au rayon lumineux. B

Le champ électromagnétique est perpendiculaire au rayon lumineux. B Plan d’onde.

2. Caractéristiques de l’onde lumineuse.

2.1. L’onde lumineuse dans le vide.

2.1. L’onde lumineuse dans le vide.

Onde électromagnétique plane sinusoïdale : Champ électrique associé à une lumière se propageant selon Ox

Vecteur constant ; donne l’orientation du champ dans l’espace.

Le champ électrique dépend du temps

Le champ électrique dépend de la distance parcourue.

Champ électrique en fonction du temps.

Périodicité en temporelle. Champ électrique en fonction du temps. Périodicité en temporelle.

Champ électrique en fonction du temps. Périodicité en fonction du temps.

Champ électrique en fonction du temps. Périodicité en fonction du temps.

T période temporelle.

T en seconde On utilise en général la fréquence n. n en s-1 ou hertz

Champ électrique en fonction de la distance.

On observe une périodicité spatiale.

l On observe une périodicité spatiale.

l l

l période spatiale.

l en mètre.

Une onde lumineuse donnée est caractérisée par sa longueur d’onde ou sa fréquence.

Le spectre électromagnétique. Rayons cosmiques Rayons g Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Micro ondes Ondes radio 10-14 10-13 10-11 10-8 4.10-7 8.10-7 10-3 10-1 108 l (m)

Le spectre électromagnétique. Rayons cosmiques Rayons g Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Micro ondes Ondes radio 10-14 10-13 10-11 10-8 4.10-7 8.10-7 10-3 10-1 108 l (m) n (Hz) 3.1022 3.1021 3.1019 3.1016 7,5.1014 3,8.1014 3.1011 3.109 3

Orangé Jaune Rouge Violet Bleu Vert l (nm) Rayons cosmiques 400 450 500 570 590 610 700 l (nm) Rayons cosmiques Rayons g Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Micro ondes Ondes radio 10-14 10-13 10-11 10-8 4.10-7 8.10-7 10-3 10-1 108 l (m)

Le spectre électromagnétique. Énergie croissante Rayons cosmiques Rayons g Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Micro ondes Ondes radio 10-14 10-13 10-11 10-8 4.10-7 8.10-7 10-3 10-1 108 l (m)

2.2. Intensité lumineuse. Mesure si une lumière est « faible » ou forte »

2.2. Intensité lumineuse. Mesure si une lumière est « faible » ou « forte ». L’œil et les détecteurs ne sont sensibles qu’au champ électrique.

2.2. Intensité lumineuse. Mesure si une lumière est « faible » ou « forte ». L’œil et les détecteurs ne sont sensibles qu’au champ électrique. Mesure à partir d’un luxmètre.

L’œil est sensible au carré du champ électrique

Définition rigoureuse :

2.3. Propagation de la lumière dans un milieu matériel. La lumière se propage dans les milieux matériels transparents.

La lumière se propage dans les milieux matériels transparents. Sa célérité v est alors inférieure à c.

La lumière se propage dans les milieux matériels transparents. Sa célérité v est alors inférieure à c. Sa fréquence n est la même.

Indice d’un milieu matériel :

Relation fréquence – longueur d’onde

Remarque : dispersion.

Remarque : dispersion. En fait la célérité v dépend de la fréquence υ de l’onde (sa couleur).

Remarque : dispersion. En fait la célérité v dépend de la fréquence υ de l’onde (sa couleur). L’indice n dépend donc de υ.

Remarque : dispersion. En fait la célérité v dépend de la fréquence υ de l’onde (sa couleur). L’indice n dépend donc de υ (de la couleur). C’est le phénomène de dispersion.

Manifestations de la dispersion : Le prisme

Manifestations de la dispersion : L’arc en ciel

2.4. Polarisation de la lumière.

Un champ électrique est associé à la lumière.

Un champ électrique est associé à la lumière. La direction dans l’espace du champ électrique est appelée polarisation.

La lumière naturelle est dite non polarisée : Source lumineuse

Mais la lumière est émise par impulsion, environ toute les 10-9 seconde.

E

10-9 seconde plus tard E

E 10-9 seconde plus tard

E 10-9 seconde plus tard

E 10-9 seconde plus tard

10-9 seconde plus tard E

E Aucune direction de l’espace n’est privilégiée : lumière non polarisée.

Pour faire apparaître la polarisation : dispositif polarisant

E

E Polariseur

E Axe du polariseur

E Seule passe la lumière de polarisation parallèle à cet axe.

Après le polariseur la lumière est polarisée.

Applications en chimie / biochimie : molécules chirales.

Elles font tourner la polarisation de la lumière. Applications en chimie / biochimie : molécules chirales. Elles font tourner la polarisation de la lumière.

Loi de Biot en solution

Loi de Biot en solution a = a0 .l.c

2.5. Aspect corpusculaire.

- La lumière peut aussi être envisagée comme un flux de particules.

La lumière peut aussi être envisagée comme un flux de particules. Ces particules ont une masse nulle. Elle se déplacent à la vitesse c.

La lumière peut aussi être envisagée comme un flux de particules. Ces particules ont une masse nulle. Elles se déplacent à la vitesse c. Elles ont une énergie :

La lumière peut aussi être envisagée comme un flux de particules. Ces particules ont une masse nulle. Elles se déplacent à la vitesse c. Elles ont une énergie : On les appelle les photons.

3. Manifestations du caractère ondulatoire : diffraction et interférences.

3.1. Interférences lumineuses. Le phénomène d’interférence se produit lorsque deux vibrations lumineuses s’additionnent.

3.1. Interférences lumineuses. Le phénomène d’interférence se produit lorsque deux vibrations lumineuses s’additionnent. Conditions d’interférence : Cohérence temporelle (même fréquence) Cohérence spatiale (sources pas trop éloignées) Cohérence de polarisation

Exemple le plus courant : Expérience des trous de Young.

Source

On observe, en lumière monochromatique :

On observe, en lumière polychromatique :

Interprétation : différence de trajet de la lumière Source T1 T2 d

En A, la est la somme des lumières provenant de T1 et T2 :

En A, la lumière est la somme des lumières provenant de T1 et T2 :

En A, la est la somme des lumières provenant de T1 et T2 : L’intensité lumineuse en A est proportionnelle à (E(A))²

On montre que l’intensité lumineuse en A est donnée par :

Conséquence : l’intensité lumineuse est nulle chaque fois que le cosinus est égal à -1 :

Conséquence : l’intensité lumineuse est nulle chaque fois que le cosinus est égal à -1 : Franges sombres

k nombre entier

À retenir : Les interférences se produisent lorsque qu’il y a décalage entre deux vibrations lumineuses : avance ou retard Lorsqu’il y a interférence, deux vibrations lumineuses peuvent s’ajouter pour donner une absence de lumière,

On appelle déphasage entre les deux vibrations :

Applications :

Applications : - Observations dans la nature

Applications : - Observations dans la nature. - Mesures d’épaisseur.

Applications : - Observations dans la nature. Mesures d’épaisseur. Microscopie interférentielle.

3.2. La diffraction.

Source R Trou Écran Diaphragme réglable

Qu’observe-t-on sur l’écran avec R « grand » ?

On observe une tache lumineuse

Interprétation :

Interprétation :

La lumière va en ligne droite. Interprétation : La lumière va en ligne droite.

Qu’observe-t-on sur l’écran avec R « petit » ?

On observe une tache lumineuse entourée d ’anneaux

« Tache d’Airy »

Interprétation : il faut faire intervenir le caractère ondulatoire de la lumière.

Interprétation : il faut faire intervenir le caractère ondulatoire de la lumière. Chaque point du diaphragme est source d’une onde lumineuse, et ces ondes interfèrent entre elles.

Interprétation : il faut faire intervenir le caractère ondulatoire de la lumière. Chaque point du diaphragme est source d’une onde lumineuse, et ces ondes interfèrent entre elles.

R « grand » : R >> λ R « petit » : R ~ λ

La largeur angulaire de la tache de diffraction est donnée par :

À retenir : - La diffraction se manifeste quand la lumière rencontre des ouvertures ou des obstacles dont la taille est proche de sa longueur d’onde.

À retenir : La diffraction se manifeste quand la lumière rencontre des ouvertures ou des obstacles dont la taille est proche de sa longueur d’onde. Dans ce cas les images lumineuse ne sont plus constituées de points mais de taches.