Optique géométrique

Ch.1 : Principes fondamentaux de l’optique géométrique

Introduction

L’Optique est la branche de la physique qui étudie la lumière. C’est un domaine très vaste qui a connu dans la deuxième moitié du XXe siècle une progression spectaculaire avec la mise au point des lasers.
Les applications technologiques de cette science désormaismultidisciplinaire sont très répandues dans notre société. Il suffit pour s’en convaincre d’observer, dans notre quotidien, de toutes les diverses sources de lumière qui nous entourent : écrans LCD, plasma ou LED de télévision ou d’ordinateur, DVD, fibre optique, écrans de téléphones portables…

L’optronique rassemble tous les instruments conçus pour voir la nuit. Les premiers sont desintensificateurs de lumière, qui amplifient plusieurs dizaines de milliers de fois la moindre lumière résiduelle – celle de quelques étoiles de la nuit la plus noire pour la transformer en une source lumineuse visible pour l’œil humain. Ils produisent une lumière verte, la couleur que notre œil voit le mieux.
Les caméras infrarouges permettent aussi de voir la nuit mais utilisent un autreprocédé. En effet elles captent les rayons infrarouges émis par tout corps qui dégage de la chaleur et convertissent le signal reçu dans une longueur d’onde visible au moyen d’un système électronique.

On distingue l’Optique géométrique, qui s’appuie sur la notion de rayon lumineux et permet d’expliquer la formation des images et l’Optique physique qui s’intéresse plus spécifiquement auxproblèmes que ne peut pas traiter l’Optique géométrique (cohérence, interférences, diffraction).

L’Optique géométrique peut être construite sans faire référence à la nature de la lumière. Il suffit de postuler l’existence des rayons lumineux et d’admettre que leur trajectoire obéit à certaines règles de géométrie. C’est assez pour construire des lunettes de correction, des microscopes, desappareils photographiques, des télescopes. . .

Cette Optique est donc avant tout pratique et descriptive, essentiellement fondée sur la géométrie plane. Il y a peu de raisonnements physiques, les calculs concernent avant tout la trigonométrie et l’essentiel du travail consiste à dessiner des figures claires.

Objectifs

– Connaître le modèle du rayon lumineux.
– Connaître etpouvoir justifier la limite de validité de l’optique géométrique.
– Savoir énoncer précisément les lois de Snell-Descartes et savoir les appliquer.
– Pouvoir déterminer les angles de réfraction limite (à l’entrée dans un milieu plus réfringent) et de réflexion totale (à l’entrée dans un milieu moins réfringent).

La lumière

1.1 La dualité onde-corpuscule

La lumière,phénomène quotidien s’il en est, a donné beaucoup de fil à retordre aux physiciens. Sa modélisation complète est compliquée.

Aspect corpusculaire : Après une vague ébauche au XVIIe par Newton, c’est surtout avec Planck et Einstein (1906) que se développe un modèle corpusculaire : la lumière serait une sorte de flux de « grains d’énergie », appelés quanta ou photons.

Chacun de ces photons estde masse nulle, se déplace à une vitesse c = 2,998.108m.s-1 dans le vide, et son énergie est E = h (, où h est la constante de Planck (h= 6,626.10-34 J.s) et ( la fréquence du photon. Notons que ce modèle est également quantique : chaque quantum, ou photon, est une entité d’énergie insécable. Ce modèle corpusculaire quantique permet d’interpréter certains phénomènes comme les interactionslumière-matière : l’effet photoélectrique par exemple.

Aspect ondulatoire : Huygens (fin XVIIe), puis Fresnel (fin XVIIIe) et Maxwell (fin XIXe) développent par ailleurs un modèle ondulatoire : la lumière serait une onde électromagnétique, c’est à dire une association champ électrique + champ magnétique, qui oscille sinusoïdalement en fonction du temps et de l’espace et se propage à une vitesse…