Optique

« PHYSIQUE 5 OPTIQUE NOTES DE COURS COMPLÉMENTAIRES + EXERCICES + LABORATOIRE 1 BREF HISTORIQUE : la lumière L’Homme s’intéresse depuis longtemps au concept de la lumière.

Il n’avait qu’à regarder les objets durant le jour pour en apprécier leurs présences.

Cette appréciation venait d’une source naturelle; le soleil.

Au fil du temps, l’Homme s’est raffiné.

On a qu’à penser au fait qu’en soirée, il lui fallait une source lumineuse artificielle pour prolonger ses activités.

La première source lumineuse nocturne accessible fut le feu.

Cependant, le feu était une source trop difficile à transporter à l’époque.

Alors, on créa par la suite la lampe à graisse d’animale (il y a 17 000 ans); efficace mais éphémère.

Ensuite, vint les lampes à l’huile végétale (Antiquité).

Les chandelles de cires firent leur apparition au Moyen-Âge.

(Cires : Mélange de gras et d’alcool).

Plus tard, au 19 e siècle, on vit apparaitre la lampe au pétrole : odorante et nocive.

Vers les années 1900, on créa le bulbe électrique, procédé de résistance électrique associé à la diffusion des gaz. Historiquement, ce sont les Grecques qui auraient été les premiers à étudier la lumière. Euclide (300 ans av.

JC) croyait que les yeux émettaient des rayons, ce qui permettait aux gens de voir les objets.

Suite à la disparition de la civilisation grecque, les Arabes traduisirent les écrits grecs et en y raffinant les recherches et en y désignant leur plus grand scientifique Ibn-Al-Haitam (Alhazen) en 1000, qui en étudiant le fonctionnement de l’œil, en conclu que les rayons venaient des objets vers l’œil.

Alhazen ébauche les lois de la réflexion et de la réfraction. Pendant plus des deux derniers siècles, deux conceptions sur la nature de la lumière allaient se développer et s’affronter : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire, jusqu’à ce que Bohr synthétise les deux théories. Voici un bref historique sur le concept de la lumière et de ses deux théories : 1) LA THÉORIE CORPUSCULAIRE DE NEWTON ( ≈ 1675 ) À la suggestion de Newton et jusqu’au dix-neuvième siècle, les scientifiques croyaient que la lumière était un faisceau de petites particules émis par une source lumineuse qui peuvent être réfléchies ou réfractées. Cette théorie rendait compte du fait que les rayons lumineux se propagent en ligne droite, comme des particules projetées à grande vitesse. Le concept de Newton permettait d’expliquer, entre autre, la formation des ombres nettes d’un objet.

De plus, selon Newton, les masses différentes provoquent sur notre rétine des sensations distinctes : les couleurs. 2) LA THÉORIE ONDULATOIRE DE HUYGENS ( ≈ 1678 ) Théorie appuyée par Thomas Young, Augustin Fresnel, Hyppolite Fizeau et Léon Foucault (1801 à 1849) Christiaan Huygens, physicien néerlandais, a remarqué que les ombres ne sont pas toujours aussi nettes que Newton le prétendait.( formation de pénombre ). Huygens proposa l’idée que la lumière n’était pas constituée de particules puisqu’elle devait être une ONDE. La couleur de la lumière est entièrement déterminée par la longueur de l’onde. 2 Une onde est une déformation qui se propage, sans qu’il y ait transport de matière.

Pour expliquer la propagation de la lumière dans le vide ( absence de matière ), Huygens postule la présence d’un fluide éthéré, d’un éther dans lequel baignait tous les corps de l’univers et qui servirait de support aux ondes lumineuses. 3) LA THÉORIE ONDULATOIRE DE MAXWELL ( ≈ 1865 ) C’est à James Clark Maxwell et à sa théorie mathématique sur les phénomènes électriques et magnétiques qui propulsa le concept de la théorie ondulatoire de la lumière. Il compléta l’idée de Huygens en stipulant que la lumière devait se comporter comme une onde électromagnétique à la manière d’une onde radio. Il démontra qu’un champ magnétique qui varie en intensité ( à la suite du mouvement d’une charge électrique, par exemple) engendre une onde capable de transporter de l’énergie, la lumière. 4) L’EFFET PHOTOÉLECTRIQUE DE HERTZ ( ≈ 1887 ) L’effet photoélectrique (émission d’électrons par un métal sous l’action de radiations lumineuses) fut découvert en 1887 par Heinrich Hertz, lors de ses travaux sur l’électromagnétisme.

En 1900, le physicien allemand Lenard montra que seules les radiations de faible longueur d’onde peuvent provoquer la photoémission, quelle que soit l’intensité du rayonnement incident. 5) LA THÉORIE CORPUSCULAIRE D’EINSTEIN ( ≈ 1905 ) Après que l’idée de Newton soit tombée en désuétude et face à l’insuffisance de la théorie ondulatoire, Einstein reprend le modèle corpusculaire de Newton. Il explique ainsi l’effet photoélectrique ( électrons arrachés de la surface d’une plaque de métal par un faisceau de lumière ) qui avait été découvert préalablement par Hertz. Selon lui, la lumière est composée de petits grains d’énergie appelés « PHOTONS » .

Chacun de ces grains (photons) déplace un électron et disparaît au moment de l’impact donnant alors toute son énergie à l’électron. Avec la théorie photonique d’Einstein, le concept d’éther est tombé dans l’oubli. 6) LA SYNTHÈSE DE BOHR ( ≈ 1910 ) Ni la théorie corpusculaire ni la théorie ondulatoire ne rendent compte de l’ensemble des phénomènes lumineux.

Les deux théories sont nécessaires et semblent contradictoires…tout dépendant du point d’observation. 3 Par exemple, un cylindre ressemble à un cercle lorsqu’on le regarde de face ou à un rectangle lorsqu’on le regarde de profil. Toutefois, aucune de ces descriptions ne le décrit correctement. Bohr postule que la lumière est un phénomène plus complexe, à la fois onde et particule, tout dépendant de la façon dont on l’observe… Selon Bohr, la production de la lumière est liée au mouvement des électrons sur l’atome.

Lorsqu’un électron absorbe de l’énergie, il passe à une couche électronique supérieure : + N é é Lorsque l’électron retourne à sa couche initiale, il réémet l’énergie absorbée (il libère l’énergie) sous forme d’une onde électromagnétique.

De la lumière est ainsi créée. + N é é La lumière est donc une onde électromagnétique dont l’énergie est transmise de façon discontinue par « quanta » appelés photons. Onde énergétique Plus l’écart entre les couches électroniques en jeu est grand, plus la fréquence de l’onde lumineuse émise est grande.

C’est ainsi qu’on peut expliquer l’existence de différentes couleurs de lumière.

En résumé, Bohr considère que : La lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule. 7) LA THÉORIE DE LA DUALITÉ ONDE-PARTICULE ( 1923 ) En s’inspirant de la synthèse de Bohr, la théorie quantique a montré que la lumière agit comme un ensemble de particules et comme une onde : c’est la dualité onde-particule. Cette théorie, introduite en mécanique quantique par Louis de Broglie en 1923, associe une onde à toute particule.

Par analogie avec le photon, Louis de Broglie associa ainsi à chaque particule libre d'énergie E et d'impulsion p une fréquence f et une longueur d'onde λ. 4 . INTRODUCTION: les ondes Comme la lumière se comporte à la fois comme une onde et une particule, il sera important de comprendre ce qu’est une onde et quelles sont ses caractéristiques. Une onde est le déplacement d’une ou de plusieurs perturbations d’un endroit à un autre dont l’origine est une source d’énergie. Exemple : Les perturbations de l’image de gauche sont plus grandes que celle de droite. Ces perturbations dans l’eau, communément appelées des vagues, sont créées par une source d’énergie (une roche qui frappe les molécules d’eau).

Cet impact roche-eau fait que l’énergie cinétique de la roche se transforme en énergie dans l’eau suite à l’impact. Cet énergie provoque un mouvement de va-et-vient de haut en bas des particules qui composent ce milieu mais, une fois la vague passée, les particules d’eau se retrouvent à l’endroit où elles étaient avant l’arrivée de la vague. Caractéristiques des ondes : Les ondes se présentent sous deux catégories :   Les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques etc.

où se propage un état de tension, de vitesse et de pression... Les ondes électromagnétiques : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma, où se propage un état de champs électrique et magnétique... Une perturbation périodique à intervalles réguliers engendre des ondes qui décrivent un mouvement de va-et-vient régulier qu’on appelle une vibration. Longueur d’onde L’amplitude de l’onde correspond au déplacement maximal d’un point de l’onde par rapport à sa position au repos. Temps en secondes 5 La longueur d’onde ( est la distance entre deux points semblables consécutifs d’une onde, par exemple entre deux crêtes ou deux creux.

(voir schéma page 5) La fréquence (f) d’une onde indique le nombre de vibrations par unité de temps, habituellement par seconde.

Son unité de mesure est alors le hertz (Hz). f = nbre de vibration (crête à crête par exemple) temps Exemple : Une onde émet 6 vibrations en 1 minute. f = 6 vibrations = 1vibration = 0,1 Hz 60 sec 10 sec Quelle onde a la plus grande fréquence si on considère qu’elles voyagent à la même vitesse? À droite ou à gauche? La période (T) d’une onde correspond au temps nécessaire à l’onde pour effectuer un cycle complet..... »