bases de physique pour la svt- 1er cours, optique (dioptres plans, images, objets, réel/virtuel) PDF

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1er cours d'optique en bases de physique pour la svt...

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Bases de physique pour la SVT : optique Cours de maths pour la physique : aller voir sur claroline car pas de cours en amphi

Objectif : comprendre cmt se propage la lumière au travers d’instruments optiques Application : utilisation de l’optique pr d analyses de bio Optique= étude des phénomènes lumineux et de leurs relations avc la vision Optique physique (ondulatoire) prend en compte l’aspect ondulatoire de la lumière pour expliquer les phénomènes de propagatiO optique La lumière est une onde électromagnétique qui se propage (onde progressive) sans support (donc sans déplacement de matière). Elle est caractérisée par un champ électrique et un champ magnétique. Photon= pas de masse ; d’où le non-déplacement de matière Onde electromagnétique : le rayonnemt est une variatiO des champs elec et magnetique ; l’analyse spectrale permet de décomposer cette onde en onde monochromatiques de diff longueur d’onde lambda et dufferentes fréquence v Photon : la mécanique quantique associe à une radiatiO électromagnétique monochromatique un corpuscule de masse nulle nomée photon dont l’energie E est : E= h v H= constance de planck Énergie E ;Fréquence n (avec E = h n) ;Période T (avec T = 1/n) ;Longueur d’onde λ = vT ;v = vitesse propagation dans le milieu Spectre en longueur d’onde des ondes électromagnétiques Les longueurs d’onde l visibles à l’oeil nu s’étalent de 400 à 750 nm environ. Ce domaine, appelé domaine du visible, ne représente qu’une très faible partie du spectre complet des ondes électromagnétiques. L’ensemble du spectre des ondes électromagnétiques correspond à des longueurs d’onde l qui varient de 10-16 à 102 m !

Ex d’onde electromagnétiques : rayon x, rayon uv… Dans le cours : OPTIQUE GEOMETRIQUE Simplification : étude approchée de la propagation de la lumière. Basée sur la notion de rayons lumineux (artifice). C’est l’étude de la marche des rayons lumineux à travers les systèmes optiques et de la formation des images

Taille des objets> longueurs d’onde etudiées La vitesse de la lumière : Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière : C= 2,99792.10^8 m/s ~3.10^8 m/s ~300000km/s Aucune vitesse, quel que soit le milieu n’est plus grande que c. Exemple On veut calculer le temps mis par la lumière pour parcourir une distance de 3 km dans l’air. On assimile l’air au vide de vitesse c. La vitesse est la distance divisée par le temps de parcours. tlumière = d / c = 3000 (m) / 3 x 108 (m/s) = 10-5 s = 10 µs Par comparaison, la vitesse du son dans l’air vaut v = 340 m/s. Si on calcule maintenant le temps mis par le son pour parcourir une distance de 3 km dans l’air tson = d / v = 3000 (m) / 340 (m/s) = 8,9 s ≃ 9 s Þ tson / tlumière = 9 x 105 ≃ 106 Þ

le son se propage environ un million de fois moins vite que la lumière Exemple de l’orage : on voit l’éclair et on entend le tonnerre après. Chap 2 : Lois de Descartes, dispersion, images et objets, réel(le)s ou virtuel(le)s, dioptre plan , prisme et application à la réfractométrie 1- Lois de Descartes, dispersion A- Définition • La lumière est fournie par une source lumineuse (soleil, lampe, LED, LASER …) • Un objet éclairé peut : - stopper la lumière (éclipses), l’objet est opaque - diffuser la lumière (brouillard) - absorber la lumière (lunettes solaires = filtres) - émettre de la lumière (luminescence, phosphorescence…) • La lumière traverse le vide sans aucune modification • Lorsque la source de lumière est à l’infini (ex : soleil), les rayons lumineux qui arrivent vers l’observateur sont parallèles • Lorsque la source de lumière est à une distance finie et non collimée, les rayons vont diverger (voir TP) B- Principes fondamentaux de l’optique géométrique 3 principes : 1. La propagation rectiligne de la lumière dans un milieu homogène (=> les propriétés de la lumière sont toutes identiques dans ce milieu)

V= c/n n ≥1 (toujours) n air ~1

trajet rectiligne de la lumière entre un point A et un point B. (c’est une droite) 2. L’indépendance des rayons lumineux On ne considère aucune interfèrence entre les rayons (s’ils se croisent, pas de déviation) 3. Le retour inverse de la lumière

Le trajet lumineux de A vers B est identique au trajet de B vers A

C- Réflexion et réfraction, lois de Descartes, dispersion

Rayon réfracté : rayon qui subit un changement de direction en traversant l’interface (= surface de séparation) entre deux milieux transparents d’indices de réfraction n1 et n2 différents (Pour les calculs on considère qu’il y a toujours un rayon incident, mais ou 1 rayon réfléchi ou 1 rayon réfracté) On étudie ce système avc les 3 lois de Descartes 1- 1ère loi de Descartes

Les trois rayons incident, réfléchi et réfracté, sont tous dans le même plan, appelé plan d’incidence.

Le plan d’incidence est formé par le rayon incident et la normale (la perpendiculaire) à la surface de séparation (interface) entre les deux milieux d’indices de réfraction n1 et n2 différents 2- 2ème loi de Descartes (relative à la réflexion) L’angle de réflexion est égal et opposé à l’angle d’indicence.

Les angles se définissent toujours par rapport à la normale N. Dessiner direct droite normale pour calculer les angles. Fleche avc + = sens propagation de la lumière (haut vers le bas) Ex du miroir plan : Objt et image : Soit A un point placé dans l’espace objet réel d’un miroir plan.

Point objet (ou objet ponctuel) : point d’où sont issus (ou d’où semblent provenir) les rayons incidents, qui se dirigent vers le système optique (ici le miroir, surface passant par H) par rapport au sens de propagation de la lumière. Ici objet dans espace réel donc objet réel. Point image (ou image ponctuelle) : point d’où sont issus (ou d’où semblent provenir) les rayons émergents, qui sortent du système optique (ici le miroir, surface passant par H) par rapport au sens de propagation de la lumière. Ici image dans espace virtuel donc image virtuelle. Attention : espaces réel et virtuel définis autrement pour les systèmes dioptres et lentilles. Objet réel = nous objet virtuelle= notre image dans le miroir par exemple

Stigmate= image d’un point= un point Astigmate= image d’un point= une tache qui peut étirée dans une direction Au croisement des rayons incidents se trouve l’objet. Au croisement des rayons divergents se trouve l’objet 3- 3ème loi de Descartes Pour deux milieux transparents donnés, d’indices de réfraction n1 et n2, séparés par une interface de type dioptre plan (surface plane), le rapport du sinus de l’angle d’incidence i1 au sinus de l’angle de réfraction i2 est constant. N1 sin i1= n2 sin i2 Les angles se définissent entre les rayons et la normale N et pas entre les rayons et l’interface !!

cas 1 : les 2 milieux ont le mm indice de de réfraction n1= n2 ; sin i1= sin i2 ; i1=i2 Le rayon n’est pas dévié, quelle que soit la valeur de l’angle d’incidence Ce principe est utilisé en microscopie optique: objectif à immersion

Cas 2 : les milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1 N2>n1n1...