diff --git a/01.curriculum/01.physics-chemistry-biology/02.Niv2/04.optics/04.use-of-basic-optical-elements/01.plane-refracting-surface/02.plane-refracting-surface-overview/cheatsheet.fr.md b/01.curriculum/01.physics-chemistry-biology/02.Niv2/04.optics/04.use-of-basic-optical-elements/01.plane-refracting-surface/02.plane-refracting-surface-overview/cheatsheet.fr.md deleted file mode 100644 index c07f2b510..000000000 --- a/01.curriculum/01.physics-chemistry-biology/02.Niv2/04.optics/04.use-of-basic-optical-elements/01.plane-refracting-surface/02.plane-refracting-surface-overview/cheatsheet.fr.md +++ /dev/null @@ -1,278 +0,0 @@ ---- -title: 'Le dioptre sphérique, en approximation paraxiale : synthèse' -media_order: 'dioptre1ok.png,dioptre2ok.png,dioptre3ok.png,dioptre4ok.png' -published: false -visible: false ---- - - - - -### Qu'est-ce qu'un dioptre ? - -#### Interface réfractante : description physique - -* **Interface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents.**. - -* **peut être trouvée dans la nature** :
-Exemples :
-\- une **interface réfractante plane** : la *surface plane d'un lac tranquille*. -\- une **interface réfractante sphérique** : un *aquarium boule*. - -![](spherical-refracting-surface-example-1.jpg)
-Fig. 1. L'interface réfranctante sphérique d'un aquarium boule. - -* **apparaît dans la conception et modélisation de composants optiques ** :
-Exemples :
-\- une **vitre en verre** se décompose en *deux interface réfractantes planes* (air/verre, puis verre/air), séparées par l'épaisseur de la vitre.
-\- une **lentille** est la succession de *deux interfaces réfractantes courbes (souvent sphériques) consécutives* (air/verre, puis verre/air) qui -présentent toutes deux une symétrie de révolution autour d'un même axe. - -#### Interface réfractante versus surface réfractante - -!!!! *POINT DIFFICILE* : une interface réfractante plane ou sphérique présente deux comportements optiques différents pour la formation d'image, -est caractérisée par deux ensembles de paramètres de veleurs différentes, selon que la lumière considérée traverse l'interface dans un sens ou dans l'autre. -!!!! -!!!!Considère une interface plane (une vitre épaisse dont l'épaisseur et donc l'effet optique peuvent être négligés) séparant de l'air et de l'eau, -et deux jumeaux (Thompson and Thomson) à égales distances de chaque côté de l'interface (Fig. 2a). -!!!! -!!!! ![](plane-refracting-surface-1.jpg)
-!!!! Fig. 2a : La situation n'est pas symétrique. -!!!! -!!!! * Quand Thompson (dans l'ir) regarde Thomson (dans l'eau), la lumière se propage de Thomson vers les yeux de Thompson. -!!!! Le fait est que Thompson voit l'image de son frère plus proche que la position réelle de ce son frère (Fig. 2b) -!!!! -!!!! ![](plane-refracting-surface-2.jpg)
-!!!! Fig. 2b. Thompson voit son frère plus proche que sa position réelle dans l'eau. -!!!! -!!!! * Dans la situation opposée, quand Thomson (dans l'eau) regarde Thompson (dans l'air), -la lumière se propage de Thompson jusqu'aux yeux de Thomson. -Et le fait est que Thomson voit l'image de son frère plus loin que sa position réelle (Fig. 2c)
-!!!! (en toute rigueur, les yeux d'un poisson devraient être considérés dans cet exemple, des yeux plus adaptés -à la vision sous-marine et des yeux en contact direct avec l'eau. Sinon, nous devrions considérer que le masque de plongée -de Thompson est rempli d'eau pour ne pas ajouter déjà une autre interface eau/air (celle du masque de plongé) sur -la trajectoire de la lumière). -!!!! -!!!! ![](plane-refracting-surface-3.jpg)
-!!!! Fig. 2c. Thomson voit son frère plus loin que sa position réelle dans l'air. -!!!! -!!!! Tout ceci peut être calculé et prédit, mais cet exemple montre que cette interface réfratante plane air/eau -correspond à deux surface réfrantantes:
-!!!! -!!!! * Premier cas, la surface réfractante est telle que :
-!!!! \- indice de réfraction de milieu de la lumière incidente : $n_{inc} = n_{water} = 1.33$
-!!!! \- indice de réfraction de milieu de la lumière émergente : $n_{eme} = n_{air} = 1$
-!!!! -!!!! *¨ Deuxième cas, la surface réfractante est telle que :
-!!!! \- indice de réfraction de milieu de la lumière incidente : $n_{inc} = n_{air} = 1$
-!!!! \- indice de réfraction de milieu de la lumière émergente : $n_{eme} = n_{water} = 1.33$. -!!!! - -#### Dioptre - -Un **dioptre** est une *surface réfractante* dont un *sens de propagation de la lumière est précisé*. - - -#### Différence de terminologie entre l'espagnol, le français et l'anglais. - -!!!! *ATTENTION* :
-!!!! De la même façon qu'en français est utilisé le simple mot "miroir" pour nommer une "surface réfléchissante", le simple mot -!!!! "dioptre" définit une "surface réfractante". Cela n'est pas le cas en espagnol et en anglais. Un "dioptre" sera traduit par -!!!! "superficie refractiva" en espagnol, et "refracting surface" en anglais. -!!!! -!!!! Le mot "dioptre" en anglais et son équivalent espagnol "dioptría" désignent l'unité de mesure de la vergence d'un système optique. En français, cette unité -!!!! de mesure se nomme "dioptrie". -!!!! Donc, garde à l'esprit le schéma suivant : -!!!! -!!!! surface réfractante : *EN : refracting surface* , *ES : superficie refractiva* , *FR : dioptre*.
-!!!! Une boule de cristal forme un dioptre sphérique : une superficie refractiva esférica en espagnol, a spherical -!!!! refracting surface en anglais. -!!!! -!!!! unité de mesure : *EN : dioptre* , *ES : dioptría* , *FR : dioptrie*.
-!!!! _mon verre correcteur pour ma myopie fait -4 dioptries : "-4 dioptrías" en espagnol et "-4 dioptres" en anglais. - - -#### Non stigmatisme du dioptre sphérique - -Etude au tracé de rayons d'un **dioptre sphérique** : - - -* **En tout point d'impact** des rayons sur le dioptre sphérique, **la relation de Snell-Descartes s"applique**. - -![](dioptre-spherique-snell-law.png)
- -* Un dioptre sphérique est **non stigmatique** : Les *rayons (ou leurs prolongements)* provenant *d'un même point objet* et qui émergent du dioptre, en général *ne convergent pas en un point image*. - -![](dioptre-spherique-non-stigmatique-1.png)
- -* **Si l'ouverture du dioptre sphérique est limité** de façon que seuls les rayons interceptant le dioptre proche -de son sommet soient réfractés par le dioptre, - -![](dioptre-spherique-non-stigmatique-2.png)
- -* **et si** les points object restent situés suffisamment proches de l'axe optique, de façon que **les angles d'incidence et de réfraction restent petits**, alors pour chaque point objet un point image peut presque être défini, et dès lors -le dioptre sphérique devient *quasi-stigmatique*. - -![](dioptre-spherique-gauss-conditions.png)
- - -#### Conditions de Gauss / approximation paraxiale et stigmatisme approché. - -Quand un dioptre sphérique est utilisé dans les conditions suivantes, nommées **conditions de Gauss** :
-\- les *angles d'incidence et de réfraction sont faibles*
-(rayons faiblement inclinés sur l'axe optique quiinterceptent le dioptre au voisinage de son sommet),
-alors *le dioptre sphérique* peut être considéré comme *quasi-stigmatique*, et dès lors il peut être utilisé pour construiire des images. - -Mathematiquement, quand un angle $`\alpha`$ est suffisamment petit $`\alpha < ou \approx 10^\circ`$, les approximations suivantes peuvent être faites made :
-$`sin(\alpha) \approx tg(\alpha) \approx \alpha (rad)`$, and $`cos(\alpha) \approx 1`$. - -*L'*optique géométrique restreinte aux conditions de Gauss* s'appelle l'*optique gaussienne* ou l'*optique paraxiale*. - - -#### Dioptre sphérique mince - -Nous appellerons **dioptre sphréique mince** un dioptre sphérique *utilisé dans les conditions de Gauss*. - - -### Comment est modélisé un dioptre sphérique mince en optique paraxiale ? - - -#### Caractérisation d'un dioptre sphérique - -* 2 points distincts : **sommet S** et **centre de courbure C** sur l'axe optique, -qui définisent $`\overline{SC}`$ : distance algébrique entre le sommet S et le centre de courbure C sur l'axe optique. - -* 2 valeurs d'indices de réfraction :
-\- **$`n_{inc}`$ : indice de réfraction du milieu de propagation de la lumière incidente**.
-\- **$`n_{eme}`$ : indice de réfraction du milieu de propagation de la lumière émergente**. - -* 1 flèche : indique le *sens de propagation de la lumière* - -![](dioptre-1.gif) - - -#### Etude analytique - - -* **Equation de conjugaison du dioptre sphérique mince**

-**$`\dfrac{n_{eme}}{\overline{SA_{ima}}}-\dfrac{n_{inc}}{\overline{SA_{obj}}}=\dfrac{n_{eme}-n_{inc}}{\overline{SC}}`$**   (equ.1) - -* **Expression du grandissement transversal**

- **$`\overline{M_T}=\dfrac{n_{inc}\cdot\overline{SA_{ima}}}{n_{eme}\cdot\overline{SA_{obj}}}`$** -   (equ.2)

-Tu connais $`\overline{SA_{obj}}`$, $`n_{inc}`$ et $`n_{eme}`$, tu as précédemment calculé $`\overline{SA_{ima}}`$, alors tu peux calculer $`\overline{M_T}`$ et en déduire $`\overline{A_{ima}B_{ima}}`$. - - -! *UTILE* : L'équation de conjugaison et l'expression du grandissement transversal pour un dioptre plan -!s'obtiennent et se retrouvent à partir de celles du dioptre sphérique dans la limite -! -! $`|\overline{SC}|\longrightarrow\infty`$.
-! alors tu obtiens *pour un dioptre plan :* -! -! * *équation de conjugaison :*   $`\dfrac{n_{fin}}{\overline{SA_{ima}}}-\dfrac{n_{ini}}{\overline{SA_{obj}}}=0`$    (equ.3) -! -! * *expression du grandissement transverse :*   $`\dfrac{n_{ini}\cdot\overline{SA_{ima}}}{n_{fin}\cdot\overline{SA_{obj}}}`$ -   (equ.2, unchanged)

-! mpais (equ.3) donne $`\dfrac{\overline{SA_{ima}}}{\overline{SA_{obj}}}=\dfrac{n_{inc}}{n_{eme}}`$.
-! Copier ce résultat dans (equ.2) conduit à $`\overline{M_T}=+1`$. - - -#### Etude graphique - -##### 1 - Déterminer les points focaux objet et image - -Les positions des points focaux objet F et image F’s'obtiennent facilement à partir de l'équation de conjugaison (equ. 1). - -* Distance focale image $`\overline{OF'}`$ : $`\left(|\overline{OA_{obj}}|\rightarrow\infty\Rightarrow A_{ima}=F'\right)`$
-    (equ.1)$`\Longrightarrow\dfrac{n_{eme}}{\overline{SF'}}=\dfrac{n_{eme}-n_{inc}}{\overline{SC}}`$ -$`\Longrightarrow\overline{SF'}=\dfrac{n_{eme}\cdot\overline{SC}}{n_{eme}-n_{inc}}`$   (equ.4) - -* Distance focale objet $`\overline{OF}`$ : $`\left(|\overline{OA_{ima}}|\rightarrow\infty\Rightarrow A_{obj}=F\right)`$
-    (equ.1) $`\Longrightarrow-\dfrac{n_{inc}}{\overline{SF}}=\dfrac{n_{eme}-n_{inc}}{\overline{SC}}`$ -$`\Longrightarrow\overline{SF}=-\dfrac{n_{inc}\cdot\overline{SC}}{n_{eme}-n_{inc}}`$   (equ.5) - -!!!! *CONSEIL* :
-!!!! La mémoire ne remplace pas la compréhension. Ne mémorise pas (equ.4) and (equ.5), mais comprends -!!!! les définitions des points focaux objet et image, et comment reyrouver ces deux équations -!!! à partir de l'équation de conjugaison d'un dioptre sphérique. -!!!! - -! *REMARQUE 1* :
-! Un élément optique est convergent quand son point focal image est réel, -! soit quand $`\overline{OF}>0`$ (avec l'axe optique orienté positivement dans le sens de propagation de la lumière), -! Donc tu peux déduire en observant (equ.4) qu'un dioptre sphérique est convergent si et seulement si son centre -! de courbure C se trouve situé dans le milieu de plus fort indice de réfraction. -! - -##### 2 - Représentation d'un dioptre sphérique mince - -* **Axe optique = axe de révolution** du dioptre, **orienté** positivement dans le sens de propagation de la lumière. - -* représentation d'un dioptre sphérique mince :

-\- **sègment de droite**, perpendiculaire à l'axe optique, centré sur cet axes avec -**indication symbolique de la concavité ou de la convexité** du dioptre aux extrémités du sègment.

-\- **sommet S**, qui localise le dioptre sur l'axe optique.

-\- **point nodal C = centre de courbure**.

-\- **points focaux objet F et image F’**. - -! *REMARQUE 2*
-! La concavité d'un dioptre ne présume pas de son caractère convergent ou divergent. Cela dépend aussi -! des valeurs des indices de réfraction de chaque côté du dioptre. Pour illustrer cela, regarde ce qui se -passe pour le rayon incident parallèle à l'axe optique sur les figures 3 et 4, puis 5 et 6 ci-dessous, et relis la REMARQUE 1. -! - -#### Exemples de situations graphiques, avec valeurs numériques affichées pour t'entraîner - -!!!! *IMPORTANT* :
-!!!! Même en considérant une seule de ces figures, le caractère réel ou virtuel de l'image -!!!! peut dépendre de la position de l'objet. Ce paragraphe est seulement pour t'aider à comprendre -!!!! comment placer les 3 rayons particuliers qui permettent de déterminer l'image. Il est important -!!!! de ne pas mémoriser ces figures, cela serait limitatif, trompeur et sans intérêt. -!!!! -!!!! Toutes les valeurs numériques utiles sont associées à chaque figure, tu peux vérifier que tu maîtrises -!!!! aussi le calcul analytique permettant de localiser l'image dans chaque cas. -!!!! - - - -* avec **objets réels** - -![](thin-spherical-surface-1.png)
-Fig. 4. - -![](thin-spherical-surface-2.png)
-Fig. 5. - -![](thin-spherical-surface-3.png)
-Fig. 6. - -![](thin-spherical-surface-4.png)
-Fig. 7. - -* avec **objets virtuels** - -![](thin-spherical-surface-5.png)
-Fig. 8. - -![](thin-spherical-surface-6.png)
-Fig. 9. - -![](thin-spherical-surface-7.png)
-Fig. 10. - -![](thin-spherical-surface-8.png)
-Fig. 11. -