Travaux Pratiques de Physique

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1 Travaux Pratiques de Physique
Optique 1 : Optique géométrique Cours de Physique Biomédicale Dernière mise à jour : 23/11/2017

2 Rappels Théoriques Manipulation Principes de l’optique géométrique
Réflexion Réfraction Déviation de la lumière par un prisme Réflexion totale Manipulation Plan de travail Miroir Lames à faces parallèles Utilisation des lasers : Précautions d’emploi Résumé

3 Principes de l’optique géométrique
La lumière se propage sous forme de rayons lumineux. Un rayon lumineux se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent.

4 Réflexion de la lumière
miroir Rayon incident Rayon réfléchi i1 i2 Angle d’incidence (i1) = angle de réflexion (i2) Attention les angles i1 et i2 sont mesurés par rapport à la normale au miroir!

5 î â î â = 2 î Que vaut â par rapport à l’angle incident ?
â = 2 î L’angle â formé par les rayons réfléchi et incident est égal au double de l’angle incident.

6 i est l’angle d’incidence et r est appelé l’angle de réfraction.
Quand un rayon lumineux passe d’un milieu 1 à un milieu 2, il est dévié. Milieu 1 n1 i r Milieu 2 n2 i est l’angle d’incidence et r est appelé l’angle de réfraction.

7 n1 est appelé l’indice de réfraction du milieu 1 et n2 l’indice de réfraction du milieu 2.
Ils dépendent de la vitesse de la lumière dans le milieu : c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3.108m/s) et vi est la vitesse de la lumière dans le milieu i. Comme vi < c, on a toujours ni > 1. Exemples (à connaitre!) : neau = 1,33 ; nverre = 1,5 ; nair ≈ nvide = 1

8 Lame à faces parallèles
On envoie un rayon lumineux sur un parallélépipède de verre. Le rayon subit deux réfractions, en passant de l’air au verre, puis en passant du verre à l’air. Il est simplement translaté d’une distance t. 1ère réfraction 2ème réfraction

9 Déviation de la lumière par un prisme
Newton (encore lui!) a montré que la lumière blanche était décomposée en ses différentes composantes colorées par un prisme. En effet, l’indice de réfraction d’un matériau varie légèrement avec la couleur de la lumière Le rouge est moins dévié que le bleu. Autre exemple de ce phénomène de dispersion : l’arc-en-ciel.

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11 Réflexion totale Lorsqu’on passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n1 > n2), on peut assister au phénomène de réflexion totale. Au delà d’un certain angle d’incidence, appelé icritique, il n’y a plus de rayon réfracté, tout le rayon incident est réfléchi → réflexion totale icrit rcrit=90° Faisceau complètement réfléchi

12 Applications du phénomène de réflexion totale :
FIBRES OPTIQUES « emprisonnant » un faisceau lumineux, utilisées pour les télécommunications, en Endoscopie médicale.

13 Rappels Théoriques Manipulation Principes de l’optique géométrique
Réflexion Réfraction Déviation de la lumière par un prisme Réflexion totale Manipulation Plan de travail Miroir Lames à faces parallèles Utilisation des lasers : Précautions d’emploi Résumé

14 Plan de travail Laser + Lentille divergente Plateau + Feuille de papier Matériel optique (miroir, lame à faces parallèles, prisme)

15 Vérifier la loi de la réflexion avec le GRAND miroir.
normale Vérifier la loi de la réflexion avec le GRAND miroir. Attention, les angles sont mesurés par rapport à la NORMALE au miroir.

16 Lame à faces parallèles
On envoie un rayon lumineux sur un parallélépipède de verre. Le rayon subit deux réfractions : Il est simplement translaté d’une distance t : 1ère réfraction 2ème réfraction

17 En déduire l’indice de réfraction du verre.
Vérifier la loi de la réfraction avec le rayon incident et le rayon réfracté ES. En déduire l’indice de réfraction du verre. Réfraction étudiée

18 Déviation de la lumière par un prisme
On peut utiliser l’évolution de δ en fonction de i pour calculer l’indice de réfraction n du matériau constituant le prisme. d i dMIN normale δ i Rayon émergent Rayon incident

19 En pratique, on fait varier i et on mesure δ.
On fait le graphe de δ en fonction de i. Et on en déduit δMIN. d i dMIN Connaissant A, on calcule n :

20 Précautions d’emploi Utilisation des lasers
Attention, on utilise des lasers => ce ne sont pas des jouets, ils peuvent être dangereux pour les yeux (et le reste). Les lasers sont fragiles (et coûteux) => les manipuler avec soin! Quand un ancien laser (des tables 21, 22, 23 et 24) est allumé, il ne faut pas l’éteindre avant la fin du laboratoire ! Par contre, les nouveaux lasers peuvent être éteints puis rallumés au cours du laboratoire. Ne pas bouger les lasers : bouger la lentille divergente pour mettre le faisceau à niveau.

21 Résumé : Vous vérifierez la loi de réflexion.
En étudiant la réfraction par une lame de verre, vous déterminerez nverre pour différents angles d’incidence. Vous travaillerez ensuite sur la déviation d’un rayon lumineux par un prisme. Après avoir fait le graphe de δ en fonction de i, vous déterminerez nverre. d i dMIN