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title: Cours |
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<!-- |
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Cours de test, pour réfléchir au nom du fichier, au contenu du frontmatter ci-dessus, et tester le rendu dans le WebIDE. |
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--> |
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# La nature de la lumière |
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## Nature ondulatoire de la lumière |
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!!! Partie en construction. Contributions bienvenues ! |
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## Nature corpusculaire de la lumière |
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!!! Partie en construction. Contributions bienvenues ! |
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## Une constante fondamentale de la nature : la vitesse de la lumière dans le vide |
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Dans le vide, l'énergie lumineuse se propage à la vitesse de la lumière. |
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Cette vitesse de la lumière dans le vide est notée universellement "$c$", et sa valeur exacte, |
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exacte car fixée par l'humain depuis 1975 (l'unité de longueur du système international, le mètre, est depuis cette date fixé à partir de cette valeur définie et exacte de la vitesse de la lumière) est : |
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```math |
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c = 299\,792\,458\;m.s^{-1} |
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``` |
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- Cette vitesse de la lumière est constante pour tout observateur quelque soit son état de mouvement. ce fait expérimental contredit la loi d'addition galiléenne des vitesses de la mécanique newtonienne, et il ne se comprend de façon cohérente que dans le cadre de la relativité restreinte et de la relativité générale toutes deux introduites par Einstein respectivement en 1905 et 1915. |
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- La notion de vitesse est traditionnellement associée à la mesure de la variation de la position d'un corps localisé dans l'espace en fonction du temps. Un ballon de football peut ainsi communément atteindre une vitesse de $`30 m.s^{-1}`$ (environ $`100 km.h^{-1}`$), ce qui signifie que la matière qui constitue le ballon s'est effectivement déplacée de 30 m par rapport au sol sur une durée de 1 seconde (on néglige ici les effets de déformation, et de rotation du ballon sur lui-même). |
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Concernant une onde, la notion de vitesse est plus subtile. En regardant l'océan, je perçois chaque vague comme une structure étendue mais localisée dans l'espace. Cette structure reste discernable sur une certaine durée avant de se fracasser contre un rocher ou se disperser sur le sable de la plage. Pendant cette durée je peux attribuer une vitesse à cette structure, et je choisis intuitivement de suivre le mouvement de la crête d'une vague pour définir cette vitesse. Ainsi définie, un surfeur pourra estimer la vitesse d'une vague de l'ordre de $`8 m.s^{-1}`$ (environ $`30 km.h^{-1}`$). |
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Cependant, le mouvement réel d'un centimètre cube d'eau, ou le mouvement d'une bouée censée être entraînée par la vague, est essentiellement un mouvement d'oscillation de bas en haut, et sa vitesse dans le plan horizontal est quasiment nulle. Une onde est un transport d'énergie, pas de matière. Je peux penser les vagues comme une onde qui déforme la surface de l'océan, et transporte à une vitesse de l'ordre de $`8 m.s^{-1}`$ l'énergie nécessaire pour déplacer alternativement de bas en haut la bouée. Ainsi "mal" définie, la vitesse d'une onde apparait comme une notion bien différente de la vitesse d'un corps en mécanique. C'est pourquoi il existe un mot spécifique pour parler de la "vitesse apparente" de déplacement d'une onde, c'est le mot "célérité". La lumière se comporte par bien des aspects comme une onde, aussi le terme de célérité est souvent employé à la place du terme "vitesse" concernant la lumière. C'est là l'origine de la lettre "$`c`$" représentant par convention la vitesse de la lumière dans le vide.</li> |
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- Pour une onde, la notion de vitesse ou célérité est bien plus complexe que ne le laissent présager ces deux termes. Même idéalisée, le profil de la vague se déforme au cours de sa propagation. L'analyse de Fourier me montrera que la vague peut se décomposer comme une superposition d'ondes planes sinusoïdales progressives (on dit aussi d'ondes planes harmoniques ou monochromatiques progressives) de la surface de l'eau, dont l'enveloppe décrit la vague. Une onde sinusoïdale présente un profil périodique qui se reproduit infiniment sans se déformer. Il est ainsi possible d'attribuer une vitesse bien définie, par exemple la vitesse de propagation d'un maximum d'amplitude de l'onde sinusoïdale. Chaque composante sinusoïdale possède donc une vitesse de propagation propre et bien définie, appelée vitesse de phase. A la vitesse de l'enveloppe, résultante de la superposition de toutes ses composantes sinusoïdales, je pourrai associer une "vitesse de groupe" dont une définition physique rigoureuse sera présentée dans divers chapitres de niveaux 3 et 4 liées aux phénomènes ondulatoires. |
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## Le spectre électromagnétique |
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<!-- todo? --> |
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# Interaction entre la lumière et la matière |
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## Interaction lumière-matière |
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L'univers est composé de matière en mouvement et de lumière. |
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Dans cette phrase il faudrait restreindre le terme matière à la *matière baryonique*, c'est à dire de matière composée d'*électrons*, de *protons* et de *neutrons*, c'est à dire la matière que nous connaissons, et étendre le terme lumière à tout les spectre des ondes électromagnétiques depuis les rayons gamma de très hautes énergies jusqu'au domaine radio de très grandes longueurs d'ondes. |
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Matière et lumière sont en interaction constante. |
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Du point de vue des grands domaines de la physique, il y a *trois façons pour la matière de créer ou d'absorber de la lumière* : |
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__l'interaction classique__ (classique au sens non relativiste), |
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__l'interaction quantique__ et |
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__l'interaction relativiste__. |
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<!-- Apparemment il n'y a pas (encore) moyen de souligner en markdown, on est contraints d'utiliser le tag ins --> |
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### L'interaction classique |
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La matière est composée de particules élémentaires dont certaines sont caractérisées par une charge électrique non nulle, ce qui signifie qu'elles sont sensibles à l'interaction électromagnétique. Or la lumière est la propagation d'un champ électromagnétique. |
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Un "champ" en physique décrit une grandeur physique définie en tout point de l'espace. |
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L'existence d'un champ électromagnétique signifie donc qu'en tout point de l'espace existent un vecteur champ électrique $`\overrightarrow{E}`$ et un vecteur champ magnétique $`\overrightarrow{B}`$ liés par les équations de Maxwell. |
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L'interaction électromagnétique précise qu'en présence d'un champ électrique $`\overrightarrow{E}`$ et d'un champ magnétique $`\overrightarrow{B}`$, une particule de charge électrique $`q`$, de masse $`m`$ et animée d'une vitesse $`\overrightarrow{v}`$ dans le référentiel où elle est observée, subit une force électromagnétique dite force de Lorentz $`\overrightarrow{F}_{L}`$ qui s'exprime comme suit : |
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```math |
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\overrightarrow{F}_{L} = q \cdot ( |
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\overrightarrow{E} |
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+ |
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\overrightarrow{v} |
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\wedge |
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\overrightarrow{B} |
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) |
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``` |
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**Un champ électromagnétique induit une accélération à toute particule chargée**, du fait de la *force de Lorentz*. |
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Le phénomène inverse est aussi vrai, les lois de l'électromagnétisme disent que **toute particule chargée accélérée est source d'une onde électromagnétique**. |
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- Ainsi, pour créer une onde électromagnétique de fréquence $`\nu`$, il suffit de communiquer à un électron un mouvement oscillatoire à cette même fréquence $`\nu`$. Inversement, pour détecter une onde électromagnétique de fréquence $`\nu`$, il suffit de placer un électron libre sur le trajet de l'onde, et de détecter son mouvement oscillatoire induit (donc le petit courant alternatif résultant de son mouvement induit). |
|||
- Le domaine de la lumière visible correspondant à des fréquences de l'ordre de $`5\cdot10^{14}Hz`$, ce qui représente $`5\cdot10^{14}`$ oscillations par seconde, il est impossible mécaniquement ou même électriquement d'inculquer un mouvement oscillatoire aussi rapide à des particules chargées pour créer de la lumière visible. Cette interaction "classique" concerne donc le domaine des ondes électromagnétiques de fréquences moindres, celui des ondes radioélectriques ($`\lambda\geq1m`$) ou du domaine des micro-ondes ($`1mm\geq\lambda\leq1m`$). |
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### L'interaction quantique |
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Un atome est composée d'un noyau, ensemble compact de protons et de neutrons en interaction forte, entouré d'un nombre d'électrons équivalent au nombre de proton du noyau qui se répartissent dans un certain nombre d'orbitales caractérisées par leurs énergies. |
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La mécanique quantique est probabiliste. L'électron entre deux mesures n'a pas de trajectoire définie. La notion même de trajectoire n'as pas de sens. Seule la probabilité de présence de l'électron dans un volume donné peut être calculée. Une orbitale est définie comme une région de l'espace où l'électron a une probabilité de présence supérieure à 90%. |
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Dans son état fondamental, les électrons se répartissent dans les orbitales de plus basses énergies. Dans un état excité de l'atome, certains électrons ont sauté sur des orbitales plus énergétiques. La transition entre deux états (entre l'état fondamental et un état excité, ou entre deux états excités) peut-être radiative. Dans ce cas elle s'accompagne de l'émission ou l'absorption (selon les cas) d'un photon d'énergie égale à la différence d'énergie entre les deux états concernés. |
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### L'interaction relativiste |
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Je comprends facilement cette interaction à partir de la célèbre formule d'Einstein $`E=m \cdot c^2`$ qui dit qu'un corps immobile et de masse $m$ dans un référentiel donné contient une énergie $`E`$ égale à la masse au repos du corps multipliée par la vitesse de la lumière $`c`$ élevée au carré. |
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La théorie de la relativité prévoit, en parfait accord avec l'expérience, que la masse d'un corps croît avec la vitesse de celui-ci. La masse d'un corps varie donc selon le référentiel dans lequel ce corps est observé. Dans la relation $`E=m\cdot c^2`$, $`m`$ est la masse du corps mesurée dans un référentiel où le corps est immobile, je l'appelle "masse au repos". |
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A chaque particule de matière de masse au repos $`m`$ correspond son anti-particule qui possède la même masse. |
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Lorsqu'une particule de matière rencontre son anti-particule, toutes deux sont annihilées, et la somme de leurs masses est entièrement convertie en énergie, sous la forme de photons. |
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Entre le proton, le neutron et l'électron, l'électron est la particule atomique de plus faible masse $`m_e`$ au repos : $`m_e=9.1\cdot10^{-31}kg`$. |
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L'annihilation entre un _électron_ et son antiparticule appelée _positron_ libère 2 fois l'énergie : |
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```math |
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m_e\cdot c^2=8.2\cdot10^{-14}J=511 000eV |
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``` |
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Une énergie de $1 eV$ est l'énergie cinétique acquise par un électron de charge électrique |
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$q=-1.6\cdot10^{-19}C$ accéléré par une différence de potentiel de $1V$. |
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En Joule, cela représente une énergie de $1 eV = 1.6\cdot10^{-19}J$. |
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Cela se traduit par la création de deux photons d'énergie $511 keV$. |
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Chaque photon posède donc une énergie plus de $250 0000$ fois supérieure à un photon visible. |
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Cette interaction relativiste ne s'observe que dans le domaine des rayons gamma. |
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Une carte du ciel centrée sur une énergie photonique de $511 keV$ |
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présente la distribution spatiale de l'annihilation électron-positron. |
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Ce sont des sources quasiment ponctuelles dans le plan Galactique. |
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Si l'origine de cette émission à $511 keV$ reste sujet à débat, |
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elle est liée à des évènements extrêmement énergétiques capables de générer des positrons. |
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Ces positrons peuvent être produits dans ou au voisinage d'objects stellaires compacts |
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(étoiles à neutrons, trous noirs), lors d'explosions d'étoiles (novae, supernovae). |
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Ils peuvent aussi être créés par désintégration d'éléments radioactifs |
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créés par l'interaction du rayonnement cosmique avec le gaz interstellaire, |
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ou encore avoir une origine exotique (évènement affectant de la matière noire). |
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<!--Spatial distribution of the 511 keV line emission from positron annihilation in the central region of the Galaxy L'origine de ces positons est encore ignorée. De nombreuses sites peuvent produire ces particules d'antimatière parmi lesquelles les étoiles compactes (étoiles à neutrons, trous noirs), les explosions d'étoiles (novae, supernovae), les sursauts gamma mais aussi l'interaction des particules du rayonnement cosmique avec le gaz de la galaxie ou les étoiles géantes lorsqu'elles fabriquent des éléments radioactifs qui se désintègrent. Parmi toutes les hypothèses actuellement discutées, deux sont particulièrement retenues: une origine radioactive (désintégration de noyaux avec émission de positons) ou une origine exotique (annihilation d'un certain type de matière noire). --> |
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### Le rayonnement du corps noir |
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### Le rayonnement thermique du corps réel |
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## Domaine de validité de l'optique géométrique |
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L’**optique géométrique** modélise le comportement de la lumière avec les concepts de rayon lumineux, d'indice de réfraction et un principe de base : le principe de Fermat appliqué à la trajectoire des rayons lumineux. |
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Elle permet de _comprendre puis maîtriser la formation des images_ par des *systèmes optiques de dimensions caractéristiques a grandes devant la longueur d’onde λ de la lumière (a ≫ λ). |
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! Même le diamètre de 2 millimètres de l'objectif d'un smartphone qui permet de prendre des photos est *2500* fois plus grand que la plus grande longueur d'onde du domaine visible (800nm). |
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<!-- Je m'arrête ici pour l'instant, n'hésite pas à continuer --> |
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<p>Elle permet de <em>comprendre <strong>comment l'oeil perçoit son environnement</strong>, comprendre et maîtriser le fonctionnement et les caractéristiques de tous les appareils d'optiques utilisés dans la vie de tous les jours : <strong>loupes, miroirs, appareils photos, téléobjectifs, microscopes, télescopes et lunettes astronomiques ou terrestres, ainsi que lunettes et lentilles de vue pour corriger un défaut de la vision.</strong> </em></p> |
|||
<p>L'optique géométrique ne permet pas de comprendre les phénomènes lumineux induits par des systèmes optiques de taille caractéristique a de l'ordre de grandeur ou inférieure à la longueur d'onde λ de la lumière (a ≈ λ ou a ≤ λ) : les phénomène de diffraction et d'interférences lumineuses. Je comprendrai et maîtriserai ces phénomènes dans le cadre de l'optique ondulatoire, puis de façon plus approfondie dans le cadre de la théorie électromagnétique de Maxwell (Electromagnétisme).</p> |
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<ul class = "list"> |
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<li>Dans la vie de tous les jours, il est difficile de trouver un fait observable qui ne peut se comprendre que par un phénomène d'interférences lumineuses. Néanmoins l'un est spectaculaire et beau à observer, c'est la création des motifs colorés des couleurs de l'arc en ciel, observés à la surface d'une bulle de savon ou d'une fine couche d'huile recouvrant une flaque d'eau.</li><br> |
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<li>Par contre, trouver dans notre quotidien un fait observable qui ne peut s'expliquer que par un phénomène de diffraction et clairement attribuable à la diffraction est quasiment impossible.</li> |
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</ul> |
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<p>Elle ne permet pas de comprendre comment la lumière est créée ou absorbée par la matière, ni les phénomènes liés à la polarisation et à la diffusion de la lumière. Je comprendrai et maîtriserai ces phénomènes dans le cadre beaucoup plus large de l'électromagnétisme.</p> |
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<ul class ="list"> |
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<li>L'exemple le plus évident du phénomène de diffusion est celui de la diffusion de la lumière du soleil par l'atmosphère terrestre. Cette diffusion entraîne d'une part que le ciel de jour est lumineux dans toutes ces directions, et pas seulement dans la direction du soleil, d'autre part que la couleur du ciel est bleue alors que la couleur du soleil est jaune. En effet, dans l'espace interplanétaire, le soleil m'apparaîtrait comme un disque lumineux jaune très intense dans un ciel d'un noir total, hormis les sources de lumière ponctuelles des planètes et des étoiles lointaines.</li><br> |
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<li>L'oeil humain n'est pas sensible à la polarisation de la lumière, contrairement aux yeux ou photorécepteurs de certains animaux vertébrés ou invertébrés, comme l'abeille par exemple. Par contre, la technologie actuelle des films en 3D dans les salles de cinéma utilisent des lunettes grand public dont les verres sont polarisés. Différentes expériences mettant en évidence la polarisation de la lumière sont facilement réalisables chez soi en disposant de deux de ces paires de lunettes.</li> |
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<!-- à mettre quelque-part dans /M : Voir la polarisation de la lumière à l'œil nu (brosse de Haidinger), relativement facile à observer avec un écran d'ordinateur de technologie à cristaux liquides (LCD), |
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et avec les lunettes 3D de cinéma : http://blog.guillaume-loubet.fr/polarisation-circulaire-et-cinema-3d --> |
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</ul> |
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<!--p>Lorsque λ n’est plus négligeable devant a, il faut tenir explicitement compte du caractère corpusculaire et ondulatoire de la lumière : c’est l’objet de l’optique physique. Ainsi l’optique géométrique ne permet pas de rendre compte des phénomènes d’interférences, de diffraction, elle ne permet pas d’expliquer le fonctionnement d’un Laser. Pour tout cela l’optique physique est nécessaire.</p--> |
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<br><br><br> |
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<h2>Fondement de l'optique géométrique</h2> |
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<h3>Concepts et principe de base</h3> |
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<h4>Le rayon de lumière</h4> |
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<h4>L'indice de réfraction</h4> |
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<p> la lumière se propage dans le vide à la vitesse de $c=300 000\;km.s^{-1}=3\cdot10^8\;m.s^{-1}$, et se propage en ligne droite dans tout milieu transparent homogène et isotrope. Cependant, <ins>en passant d'un milieu à un autre, je peux observer que la lumière change de direction à l'interface entre les deux milieux : c'est le phénomène de </ins><strong>réfraction de la lumière </strong> à l'interface entre les deux milieux.</p> |
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<ul class="list"> |
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<li>Il me suffit de placer une petite cuillère dans un verre d'eau, pour constater que la cuillère semble au mieux tordue, au pire brisée, à l'interface eau/air. Du fait que cette impression ne soit qu'une illusion (l'eau n'agit pas sur la forme de la cuillère), je dois admettre que ce phénomène est incompatible avec une trajectoire de la lumière qui suivrait une même ligne droite à la traversée de l'interface. Dans le cas contraire, si l'interface eau/air situé entre la partie immergée de la cuillère et mon oeil ne modifiait pas la direction des rayons lumineux, je ne verrais aucune différence, que la cuillère soit totalement dans l'air ou partiellement immergée. Il doit y avoir, il y a un changement de direction de la lumière à la traversée de l'interface.</li> |
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<br> |
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<li>je peux dupliquer l'expérience, en prenant deux verres d'eau identiques, et en placant dans chacun d'eux un crayon identique dans la même position (l'effet est plus facilement mis en évidence avec la forme simple et parfaitement rectiligne d'un crayon, qu'avec la forme plus complexe d'une cuillère), j'observe la même brisure du crayon à l'interface dans les deux cas. Si maintenant je dissous une grande quantité de sucre (jusqu'à la limite de saturation) dans l'eau de l'un des verres, alors je remarque que la brisure devient plus prononcée. Ainsi l'effet dépend des milieux en présence de part et d'autre de l'interface, et non seulement de la présence d'une interface indépendamment des milieux qu'elle sépare. Ainsi différents milieux transparents interagissent différemment avec la lumière. De quelle façon des milieux transparents tels que l'eau pure ou l'eau fortement sucrée peuvent-ils interagir avec la lumière?</li> |
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</ul> |
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<p>Le phénomène de réfraction peut être expliquer quantitativement dans le cadre du principe de Fermat, si je considère que la vitesse de la lumière change selon le milieu de propagation.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>Foucault en 1850 a déterminé expérimentalement la vitesse de la lumière dans l'eau et dans l'air, et a trouvé que la vitesse dans l'eau était inférieur à celle mesurée dans l'air. De plus, les valeurs permettent de calculer les corrects angles de réfraction en utilisant le principe de Fermat.</li> |
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</ul> |
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<p>la vitesse de la lumière dans différents milieux apparait ainsi comme une quantité importante, qui est à l'origine de toutes les caractéristiques (grandissement, grossissement, aberrations, dispersion, ...) de tous les systèmes optiques utilisant des lentilles ou des primes. Parce que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la nature et qu'elle intervient dans un grand nombre de domaines de la physique, il est sensé de vouloir exprimer la vitesse de la lumière dans tout milieu relativement à sa valeur dans le vide : cela est réalisé avec l'indice de réfraction.</p> |
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<p>L'<strong>indice de réfraction </strong>, noté <strong>$n$</strong>, est défini comme le <ins> rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide $c$ et celle dans le milieu considéré $v$</ins> : |
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<strong>$$n\;=\;\frac{c}{v}$$</strong> |
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<p>L'indice de réfraction étant le rapport de deux vitesse, c'est <strong>une grandeur physique sans dimension</strong>.</p> |
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<p>Comme la vitesse de la lumière dans tout milieux ne peut être qu'inférieure ou égale à sa valeur dans le vide, l'indice de réfraction est toujours <strong>une quantité supérieure ou égale à 1 : ($n\ge1$)</strong></p> |
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<ul class="list"> |
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<li>Bien sûr, à l'échelle atomique, un milieu matériel n'est ni homogène, ni isotrope. Par ailleurs un matériau est principalement constitué de vide, la taille des noyaux atomiques étant bien inférieure à la distance inter-atomique. Une lumière se propageant à vitesse réduite dans un matériaux transparent homogène est donc une image même si effectivement, quels que soient les mécanismes plus complexes et subtils d'interaction entre l'onde électromagnétique et les charges positives et négatives qui constituent la matière (noyaux positifs et électrons négatifs), le résultat finale est que la vitesse mesurée de la lumière lors de la traversée d'un matériau transparent est inférieure à sa vitesse dans le vide. As the electromagnetic wave possesses some characteristics to which the eye is not sensitive and which you still do not know well (like the polarization of the light), the possible phenomenons are many and the inferred technological possibilities numerous.</li><br> |
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<li>En modélisant ces mécanismes d'interaction (en utilisant la simple physique de Newton, ou la plus complexe physique quantique), il est possible d'obtenir une valeur complexe de l'indice de réfraction qui varie avec la fréquence de la lumière incidente et dépend des caractéristiques du matériau. Cette valeur complexe de l'indice de réfraction et sa dépendance en fréquence contient toute l'information nécessaire pour comprendre et simuler comme l'onde électromagnétique se comporte à l'interface avec un matériau (comment elle est réfléchie ou réfractée à l'interface) et dans le matériau (comment elle se propage à travers ou est absorbée dans le matériau, et comment le matériau réagit). </li></ul><!--Comme l'onde possède des caractéristiques auxquelles l'oeil n'est pas sensible et que je ne connais pas encore bien (comme la polarisation), les phénomènes possibles liés à la réfraction sont nombreux et les possibilités technologiques induites immenses.--> |
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<p>Je sais qu'un prisme disperse dans différentes directions toutes les composantes colorées d'un faisceau incident de lumière blanche. la fait que chaque rayon de lumière de ce faisceau subit simplement deux réfractions montre que <strong>dans le domaine visible, l'indice de réfraction varie légèrement </strong><ins>avec la couleur</ins>, ou pour le dire plus précisément <ins>avec la fréquence (ou la longueur d'onde dans le vide) </ins>de la lumière</ins>.<p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>En géométrie, un prime est un solide limité par deux polygones, appelés les bases du prisme, obtenus l'uj de l'autre par une simple translation. Cela implique que c'est bases sont connectées l'une à l'autre par des parallélogrammes. Quand ces parallélogrammes sont rectangles, j'appelle ce prisme un prisme droit.<br> |
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En optique, un prisme est réalisé dans un matériau transparent et toutes ses surfaces sont polies. La forme usuel d'un prisme en optique, dont le but est de disperser un faisceau parallèle de lumière en toutes ses composantes colorées, possède une base triangulaire. |
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</li></ul> |
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<p>Ainsi pour réaliser une expérience précise de dispersion, je dois préciser la fréquance à laquelle est donné la valeur de l'indice de réfraction. Cependant, dans le visible, cette variation reste limitée (de l'ordre de quelques dixièmes de pourcent) and <ins>est donné seulement la </ins><strong>valeur moyenne de l'indice de réfraction</strong> (comme $n_{eau}=1.33$), ou la <strong>valeur de l'indice de réfraction à des longueurs d'onde (dans le vide) spécifiques</strong> à des raies spectrales ou des sources de lumières quasi-monochromatiques intenses qui ont permis de mesurer précisément la valeur de cette indice (par exemple $n\;_{546nm}$ pour un indice spectral déterminé à partir de la raie verte d'une lampe à vapeur de mercure, ou $n\;_{632nm}$ quand c'est un laser helium-néon qui a été utilisé).</p> |
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<h4>Le principe de Fermat</h4> |
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<p>Les deux lois importantes en optique géométrique (loi de la réflexion, et loi de la réfraction connue sous le nom de Snell-Descartes) dérivent directement du principe de Fermat.</p> |
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<h5>Temps de parcours</h5> |
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<p>Soit <strong>un chemin $S_{AB}$</strong> (donc une ligne continue) défini <ins>entre deux points donnés $A$ et $B$</ins> de l'espace. Ce chemin possède une <strong>longueur $s(S_{AB})$ </strong> telle que : |
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<strong>$$ s(S_{AB})\;=\;\int_{S_{AB}} ds$$</strong> |
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ou $ds$ est un élément de longueur infinitésimal pris le long du chemin $S_{AB}$.</p> |
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<p>Ce chemin est parcouru à une vitesse variable au cours de son parcours. <strong>En chaque point $P$ de ce chemin </strong>, l'élément de <ins>longueur infinitésimal $ds_P$ </ins>est parcouru à la <ins>vitesse instantanée $v_P$</ins>, et le <strong>temps infinitésimal $dt_P$</strong> mis par la lumière pour parcourir cette distance $ds_P$ est, comme $ds_P\,=\,v_P\cdot dt_P$, alors : |
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<strong>$$dt_P\,=\,\frac{ds_P}{v_P}$$</strong></p> |
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<p>Si $t_A$ est l'instant de départ sur le chemin $S_{AB}$ et $t_B$ est l'instant d'arrivée, le <strong>temps de parcours $\tau=t_B-t_A$</strong> de ce chemin est la <ins>somme intégrale des temps infinitésimaux $dt_P$</ins> mis pour parcourir chacun des éléments de longueurs infinitésimaux $ds_P$ pris en tout point $P$ appartenant au chemin $S_{AB}$. Je peux écrire ce temps de parcours :<br> |
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<strong>$$\tau\;=\;\int_{P \in S_{AB}} dt_P\;=\;\int_{P \in S_{AB}}\frac{ds_P}{v_P}$$</strong> |
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ou |
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<strong>$$\tau\;=\;\;\int_{\tau} dt\;=\;\int_{S_{AB}}\frac{ds}{v}$$</strong> |
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ou encore |
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<strong>$$\tau\;=\;\int_{t_A}^{t_B} dt\;=\;\int_{A}^{B}\frac{ds}{v}$$</strong> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>Je peux l'écrire de plusieurs façons, mais l'essentiel est que je sois conscient de la grandeur physique que j'intègre, et du domaine d'intégration.</li></ul> |
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<p>Cette écriture intégrale me permet de calculer un temps de parcours dans les cas les plus complexe, si la vitesse est connue (ou estimée si je veux un temps de parcours estimé) en chaque point de la trajectoire considéré. <ins>Une trajectoire qui minimise le temps de parcours entre deux points de l'espace n'est pas toujours le segment de droite qui joint ces deux points.</ins>.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li> Je le conçois facilement à partir de la situation communément utilisée pour expliquer le théorème de Fermat et retrouver la loi de la réfraction : si je suis sur la rive d'un lac, à quelques mètres du bord de l'eau, et qu'un nageur est en difficulté dans le lac, à quelques mètres du bord lui aussi, le trajet en ligne droite de moi à lui n'est pas le trajet optimum pour le secourir. En effet je courre plus vite que je ne nage, aussi sera-t-il judicieux de parcourir une distance en ligne droite un peu plus grande sur la terre, et diminuer celle dans l'eau afin de le secourir au plus vite. Parmi tous les chemins possibles, il existe un chemin précis qui minimise le temps de parcours.</li></ul> |
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<p>Si j'applique ce calcul du temps de parcours à la lumière, en chaque point d'une trajectoire la vitesse de la lumière est déterminée par l'indice de réfraction du milieu en ce point et je peux écrire : |
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$$\tau\;=\;\int_{S_{AB}}\frac{ds}{v}\;=\;\frac{1}{c}\cdot\int_{S_{AB}}\frac{c}{v}\;\cdot ds$$ |
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<strong>$$\tau\;=\;\frac{1}{c}\cdot\int_{S_{AB}}n\;ds$$</strong> |
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<h5>Chemin optique</h5> |
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<p>Lorsque la lumière se déplace sur des trajectoires traversant des milieux d'indices réfraction différents, les différents temps de parcours ne sont pas égaux aux longueurs correspondantes multipliées par un nombre réel unique, indépendant des trajectoires. Cela reste vrai sur la trajectoire unique d'un rayon de lumière traversant plusieurs milieux : pour une même longueur considérée le long de la trajectoire, le temps de parcours pourra être différent selon la portion de trajectoire sur laquelle la longueur est prise. Je peux résumer cela d'une phrase :</p> |
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<p><ins>Sur l'ensemble des cas,</ins><strong> le temps de parcours n'est pas proportionnel à la distance parcourue.</strong> |
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Or la grandeur physique importante associée à un parcours entre deux points de l'espace, pour savoir si la lumière choisira ce parcours plutôt q'un autre, sera le temps de parcours. Cependant lorsque je visualise mentalement une trajectoire, je vois une ligne à laquelle j'associe intuitivement une longueur. <ins>Comment travailler mathématiquement avec une grandeur physique homogène à une longueur, mais qui aurait les mêmes propriétés que le temps de parcours pour décrire la propagation de la lumière </ins>? Une telle grandeur a été définie en physique, et est grandement utilisée en optique géométrique, optique ondulatoire, électromagnétisme, et elle est nommée "<strong>chemin optique</strong> noté usuellement "<strong> $\delta_o$</strong>".</p> |
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<p>Le chemin optique $\delta_o$ d'un parcours donné $\Gamma_o$ entre deux points A et B de l'espace est <ins>homogène à une longueur</ins>. Son <strong>unité (S.I.)</strong> (son unité dans le Système International d'unités) est donc le "<ins>mètre</ins>".</p> |
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<p>Pour tout segment de droite pris entre deux points infiniment proche dans l'espace, son chemin optique infinitésimal (ou élémentaire) <strong>$\mathrm{d}\delta$</strong> est égal à sa <ins>longueur euclidienne $\mathrm{d}s$ multipliée par la valeur de l'indice de réfraction $n$</ins> moyennée sur le segment infinitésimal considéré : |
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<strong>$$\mathrm{d}\delta\;=\;n\times \mathrm{d}s$$</strong></p> |
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<p>Le chemin optique $\delta$ d'un parcours donné $\Gamma_o$ entre deux point de l'espace est simplement la somme des chemins optiques infinitésimaux intégrés sur ce parcours : |
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<strong>$$\delta = \int_{\Gamma_o}\mathrm{d}\delta= \int_{\Gamma_o}n\cdot \mathrm{d}s$$</strong></p> |
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<p>Quelques soient deux points donnés A et B de l'espace, et quelque soit le parcours considéré entre ces deux points, le <strong>chemin optique</strong> sera <ins>toujours égal au temps de parcours de la lumière sur ce parcours divisé par la vitesse de la lumière dans le vide $c$ </ins>qui est une constante universelle de la nature : |
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<strong>$$\mathrm{d}\delta\;=\;\frac{ds}{c}$$ |
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$$\delta = \int_{S_{AB}}n\cdot\mathrm{d}s\;=\;\int_{S_{AB}}\frac{c}{v}\cdot\mathrm{d}s$$ |
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$$\hspace{1cm}= c\;\int_{S_{AB}}\frac{\mathrm{d}s}{v} =\;c\;\tau$$</strong> |
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</p> |
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<br> |
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<ul class="exemple">Je peux maintenant considérer un rayon lumineux se propageant d'un point A à un point B, et lui imposer au cours de sa trajectoire entre A et B d'interagir avec un système optique. Je peux ensuite considérer l'ensemble des chemins possibles (ils sont en nombre infini en optique) entre A et B, et considérer une application $f$ qui à chaque chemin de cet ensemble associe une grandeur physique particulière. En optique géométrique, les deux grandeurs physiques intéressantes sont le temps de parcours et le chemin optique. La question est :<br> |
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Le trajet réellement suivi par la lumière dans chaque cas correspond-t-il à un chemin défini par un point particulier de la fonction $f$ ?. Les points particuliers qui vont m'intéresser en optique géométrique sont appelés en mathématiques les points stationnaires.</ul> |
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<h5>Grandeur physique stationnaire</h5> |
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<p>Soit <strong>$\Gamma_o$</strong> un <ins>chemin continue dans l'espace entre deux points A et B</ins>, chemin entièrement <ins>déterminé par son paramètre </ins><strong>$\lambda_o$</strong>, ou <ins>plusieurs paramètres indépendants </ins><strong>$\lambda_{io}$</strong>.</p> |
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<p> |
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Soit <strong>$f$ </strong>une <ins>grandeur physique caractérisant ce chemin</ins> $\Gamma$.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>Pour l'application du principe de Fermat, je travaillerai avec le temps de parcours ou le chemin optique entre A et B.</li></ul> |
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<p> |
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Je considère maintenant $\Gamma$ tout chemin infiniment proche de $\Gamma_o$ et de mêmes extrémités A et B, et caractérisé par son paramètre $\lambda=\lambda_o+d\lambda$ ou ses paramètres $\lambda_i=\lambda_{io}+d\lambda_i$.</p> |
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<p> |
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La grandeur physique <strong>$f$</strong> est <strong>stationnaire sur le chemin $\Gamma_o$</strong> si <ins>sa variation calculée au premier ordre est nulle sur tout chemin $\Gamma$ infiniment proche de $\Gamma_o$</ins> : |
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<strong>$$\mathrm{d}f(\Gamma_o)=\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}\lambda}(\Gamma_o)\cdot\mathrm{d}\lambda=0$$</strong> |
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ou |
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<strong>$$\mathrm{d}f(\Gamma_{o})=\sum_i\frac{\partial f}{\partial\lambda_i}(\Gamma_o)\cdot\mathrm{d}\lambda_i=0$$</strong> |
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</p> |
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<p>En mathématiques, pour une <strong>fonction $f:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}$</strong> (fonction réelle $f$ à variable réelle $x$), un <strong>point stationnaire</strong> ou <strong>point critique</strong> correspond à un <ins> maximum</ins> (au moins local), ou à un <ins> minimum</ins> (au moins local), ou encore à un <ins>point d'inflexion stationnaire</ins>. Pour une <strong>fonction $f :\mathbb{R}^2\rightarrow\mathbb{R}$</strong>, il faut rajouter le <ins>point col ou point selle </ins>(en un point selle la fonction présente un maximum local selon un axe et un minimum local selon un autre axe, ce qui lui donne localement la forme d'une selle de cheval). Il faut aussi noter que tout point d'une fonction constante (de $\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}$ ou de $\mathbb{R}^2\rightarrow\mathbb{R}$) est un points stationnaire.</p> |
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<!--Un point stationnaire P s'identifie facilement parce que la <ins>dérivée première de la fonction s'annule en ce point (fonction d'une seule variable)</ins> ou <ins>chacune des dérivées partielles s'annulent en ce point (fonction de deux variables)</ins> : |
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<strong>$$\frac{d\tau}{dx}(P)=0$$</strong> |
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ou |
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<strong>$$\frac{\partial\tau}{\partial x}(P)=0\:\:\:\:et\:\:\:\:\frac{\partial\tau}{\partial y}(P)=0$$</strong--> |
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<!--p>Le <strong>type d'un point stationnaire</strong> P s'identifie facilement par l'<ins>étude de la dérivée seconde ou des dérivées partielles secondes en ce point P</ins>.</p> |
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<p>Pour une <strong>fonction d'une variable</strong>, P est un : |
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<ul class="list"> |
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<li><strong>maximum</strong> si et seulement si <ins>${\large\frac{d{\large\tau}}{dx}}(P)<0$</ins></li> |
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<li><strong>minimum</strong> si et seulement si <ins>${\large\frac{d{\large\tau}}{dx}}(P)>0$</ins></li> |
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</ul> |
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<p>Pour une <strong>fonction de deux variables</strong>, et en posant : |
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<ins>$$r=\frac{\partial^2{\large\tau}}{\partial x^2} , |
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s=\frac{\partial^2{\large\tau}}{\partial x\,\partial y} , |
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t=\frac{\partial^2{\large\tau}}{\partial y^2}$$</ins> |
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P est un : |
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<ul class="list"> |
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<li><strong>maximum</strong> si et seulement si <ins>$rt-s^2>0$ et $r<0$</ins></li> |
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<li><strong>minimum</strong> si et seulement si <ins>$rt-s^2>0$ et $r>0$</ins></li> |
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<li><strong>point selle</strong> si et seulement si <ins>$rt-s^2<0$</ins></li> |
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</ul></p--> |
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<!--un couts trans1 sera l'étude des points critiques des fonctions à une ou deux variables --> |
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<h5>Enoncé du principe de Fermat</h5> |
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<p>Le <strong>principe de Fermat</strong> peut s'énoncer <ins>à partir du temps de parcours</ins> ou bien <ins>à partir du chemin optique</ins> de la lumière entre deux points de sa trajectoire. Ces deux grandeurs physiques associées sont en effet simplement proportionnelles entre elles, et elles auront donc la propriété de stationnarité sur les mêmes parcours. Les deux énoncés du principe de Fermat sont :</p> |
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<p><strong>"Entre deux points de sa trajectoire, la lumière suit tout parcours sur lequel son temps de propagation est stationnaire par rapport à tout autre parcours infiniment voisin."</strong></p> |
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<p><strong>"Entre deux points de sa trajectoire, la lumière suit tout parcours de chemin optique stationnaire par rapport à tout autre parcours infiniment voisin."</strong></p> |
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<h5>chemin stationnaire dans un milieu homogène</h5> |
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<p>Par définition, dans un <strong>milieu homogène</strong> l'<ins>indice de réfraction à la même valeur en tout point</ins>, donc je peux écrire :<br> |
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$$\tau\;=\;\frac{1}{c}\cdot\int_{S_{AB}}n\;ds\;=\;\frac{n}{c}\cdot\int_{S_{AB}}ds$$ |
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Comme $n$ et $c$ sont des constantes, lors le <strong>temps de parcours $\tau$ </strong><ins>est proportionnel à la simple longueur euclidienne $s= \int_{S_{AB}}ds$ du chemin suivi </ins>entre A et B.</p> |
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<p>Il existe une infinité de chemins possibles entre A et B, dont les longueurs s'étendent depuis une longueur minimum jusqu'à l'infini. Le seul chemin sur lequel le temps de parcours de la lumière est stationnaire est ici le chemin de longueur minimum entre ces deux points, soit le segment de droite [AB]. Le principe de Fermat postule donc que la lumière suivra le segment de droite qui joint ces deux points A et B.</p> |
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<p> <strong>Dans un milieu homogène</strong>,<ins> les rayons lumineux sont des droites </ins></p> |
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<h5>chemin optique stationnaire lors d'une réflexion</h5> |
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<p>Soit un <strong>miroir plan</strong>.</p> |
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<!--A REPRENDRE !!! > |
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Inutile et nuisble de préciser que c'est un miroir, ni que la surface sur laquelle s'éffectue la réflexion soit plane. On peut refaire toute la démonstration sans l'hypothèse que le dioptre est plan !, et il faut le faire. En effet, le principe de Fermat ne nécessite que de connaître trois points : un point A placé sur le trajet du rayon de lumière avant interaction avec la surface du dioptre, un point B placé sur le trajet de la lumière après interaction avec la surface du dioptre, et le point d'impact du rayon de lumière à la surface du dioptre. La loi de la réfraction se déduit seulement de ces 3 points et s'exprime par deux angles i1 et i2 dont la référence est la normale à la surface au point d'impact. Cette normale est définie mathématiquement par rapport au plan tangent à la surface au point I. Il suffit donc que la surface soit une surface continue (mathématiquement, c'est ca?). Elle peut être plane ou courbe, aussi compliquée soit la courbure. --> |
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<p>Pour simplifier les calculs, je choisi un système d'axes $(O,x, y, z)$ orthonormé direct tel que la surface du miroir soit dans le plan $(O,x,y)$.</p> |
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<p>Soit <strong>A et B </strong><ins>deux points situés d'un même côté du miroir</ins>, et <ins>par lesquels passe un même rayon lumineux</ins>. Le rayon lumineux passe d'abord par le point A, se réfléchit sur le miroir en un point I avant de passer par le point B.</p> |
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<p>Pour simplifier les calculs, je peux choisir les axes $Ox$ et $Oy$ tels que les points A et B soient situés dans le plan $(O,x,z)$.</p> |
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<p> Soient $(x_A,0,z_A)$, $(x_B,0,z_B)$ les cordonnées fixées des deux points A et B dans le système d'axe choisi, et $(x_I,y_I,0)$ les cordonnées variables du point I dans le plan du miroir.</p> |
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<p>Le <strong>trajet du rayon lumineux</strong> se fait en <ins>deux parties</ins>, du point A au point I, puis après réflexion du point I au point B, toutes deux <ins>situées dans un même milieu homogène</ins> d'indice de réfraction $n$. Le chemin suivi par la lumière est donc constitué des deux segments de droite [AI] et [IB], de longueurs respectives notées d(A,I) et d(I,B). Le <strong>chemin optique</strong> s'écrit alors : |
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$$\delta=\int_{S_{AI}}n\;ds\;+\int_{S_{IB}}n\;ds$$ |
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$$\hspace{0.2cm}=n\cdot \big( d(A,I)+d(I,B) \big)$$ |
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<p> En fonction des coordonnées des points A et B et des variables coordonnées du point I, il se réécrit : |
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<ins> |
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$$\delta(x_I,y_I)=n\cdot\Big(\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_i^2+z_A^2}$$ |
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$$\hspace{0.8cm}+\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_i^2+z_B^2}\;\Big)$$ |
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</ins> |
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<p>Tout couple de coordonnées ($x_I,y_I) \in \mathbb{R}^2$ représente un parcours entre A et B susceptible d'être emprunté par la lumière. Par ailleurs tout parcours susceptible d'être emprunté par la lumière peut être identifié par un couple ($x_I,y_I) \in \mathbb{R}^2$ . |
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<ul class="exemple"><li>En terme mathématiques, je donnerai une description plus précise et plus complète en disant qu'il existe une bijection entre $\mathbb{R}^2$ et l'ensemble des parcours possibles entre les point A et B.</li></ul> |
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<p>Le <ins>parcours réellement suivi par la lumière</ins> selon le principe de Fermat doit être <strong>stationnaire</strong>. Donc <ins>tout couple de coordonnées ($x_I,y_I$) qui vérifie</ins> |
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$$\delta(x_I,y_I)=\frac{\partial\delta}{\partial x_I}\cdot dx_I\;+\;\frac{\partial\delta}{\partial y_I}\cdot dx_I=0$$ |
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pour toutes variations infinitésimales et indépendantes $dx_I$ et $dy_I$</strong>, est un <ins>parcours effectivement choisi par la lumière</ins>.</p> |
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<p>Cela n'est possible que si chacune des dérivées partiels est nulle, soit : |
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$$(1)\hspace{0.2cm}\frac{\partial\delta}{\partial x_I}=n\cdot\bigg({\small{\frac{x_I-x_A}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_i^2+z_A^2}}}}$$ |
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$$\hspace{0cm}+{\small{\frac{x_I-x_b}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_i^2+z_B^2}}}}\;\bigg)=0$$ |
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et |
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$$(2)\hspace{0.2cm}\frac{\partial\delta}{\partial y_I}=n\cdot\bigg({\small{\frac{y_I}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_i^2+z_A^2}}}}$$ |
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$$\hspace{0cm}+{\small{\frac{y_I}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_i^2+z_B^2}}}}\;\bigg)=0$$</p> |
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<p>Comme les points A et B sont ne sont pas dans le plan du miroir ($z_A > 0$ et $z_B > 0$) alors les deux termes en racine carré sont strictement positifs. L'équation $(2)$ n'est donc vérifiée que si implique $y_I=0$ : le principe de Fermat postule ici que les 3 points A, I et B sont dans le même plan $y=0$, appelé plan d'incidence. Ainsi le <strong>rayon réfléchi </strong>est <ins>dans plan d'incidence </ins>défini par le rayon incident et la normale à la surface du miroir. au point I.</P> |
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<p>Dans ce plan d'incidence $(O,x,z)$, l'équation $(1)$ implique que les coordonnées des points A=($x_A,z_A$) et B=($x_B,z_B$) vérifient : |
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$${\small{\frac{x_I-x_A}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+z_A^2}}=\frac{x_I-x_B}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+z_B^2}}}}$$ |
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Cela implique premièrement, comme une racine carrée est toujours un nombre positif, que $x_I$ est un nombre compris entre $x_A$ et $x_B$. Dans le plan d'incidence, le <strong>rayon réfléchi</strong> est toujours <ins>de l'autre côté de la normale au plan du miroir au point d'impact</ins>, par rapport au rayon incident.<p> |
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<p>Deuxièmement, en remarquant dans cette même équation (1) que |
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<ins>$${\small{\frac{|\,x_I-x_A\,|}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+z_A^2}}}}=\sin(i_i)$$ |
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$${\small{\frac{|\,x_I-x_B\,|}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+z_B^2}}}}=\sin(i_r)$$</ins> |
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<ul class="main"> |
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<li>avec <strong>$i_i$ angle d'incidence</strong><ins> du rayon incident</ins> et <strong>$i_r$ angle de réflexion</strong><ins> du rayon réfléchi</ins> <strong>par rapport à la normale en I</strong><ins> au plan du miroir</ins>.</li></ul> |
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<p>on en déduit que l'<strong>angle de réflexion</strong> à la surface du miroir est <ins>égal à l'angle d'incidence</ins>.</p> |
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<h5>chemin optique stationnaire à la traversée d'un dioptre plan</h5> |
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<!--A REPRENDRE !!! > |
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On peut refaire toute la démonstration sans l'hypothèse que le dioptre est plan !, et il faut le faire. En effet, le principe de Fermat ne nécessite que de connaître trois points : un point A placé sur le trajet du rayon de lumière avant interaction avec la surface du dioptre, un point B placé sur le trajet de la lumière après interaction avec la surface du dioptre, et le point d'impact du rayon de lumière à la surface du dioptre. La loi de la réfraction se déduit seulement de ces 3 points et s'exprime par deux angles i1 et i2 dont la référence est la normale à la surface au point d'impact. Cette normale est définie mathématiquement par rapport au plan tangent à la surface au point I. Il suffit donc que la surface soit une surface continue (mathématiquement, c'est ca?). Elle peut être plane ou courbe, aussi compliquée soit la courbure. --> |
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<p>J'appelle dioptre plan toute surface plane séparant deux milieux transparents homogènes d'indices de réfraction différents.<p> |
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<p>Pour simplifier les calculs, je choisi un système orthonormé direct d'axes $(O,x, y, z)$ tel que le dioptre soit le plan $(O,x,y)$. Le milieu situé côté positif de l'axe $Oz$ a pour indice de réfraction $n_1$ , et le milieu situé côté négatif a pour indice de réfraction $n_2$. </p> |
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<p>Soit <strong>A et B </strong><ins>deux points situés de part et d'autres du dioptre</ins>, et <ins>par lesquels passe un même rayon lumineux</ins>. Le rayon lumineux passe d'abord par le point A situé dans le milieu d'indice $n_1$, traverse le dioptre en un point I avant de passer par le point B situé dans le milieu d'indice $n_2$.</p> |
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<p>Pour simplifier les calculs, je peux choisir l'origine O et les axes $Ox$ et $Oy$ tels que les points A et B soient situés dans le plan $(O,x,z)$.</p> |
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<p> Soient $(x_A,0,z_A)$, $(x_B,0,z_B)$ les cordonnées fixées des deux points A et B dans le système d'axe choisi, et $(x_I,y_I,0)$ les cordonnées variables du point I dans le plan du dioptre</p> |
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<p>Le <strong>trajet du rayon lumineux</strong> se fait en <ins>deux parties</ins>, du point A au point I dans le milieu d'indice $n_1$, puis après traversée du dioptre, du point I au point B dans le milieu d'indice $n_2$. Le chemin suivi par la lumière est donc constitué des <ins>deux segments de droite</ins> [AI] et [IB], de longueurs respectives notées d(A,I) et d(I,B). Le chemin optique s'écrit alors : |
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$$\delta=\int_{[AI]}n_1\;ds\;+\int_{[IB]}n_2\;ds$$ |
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<p> En fonction des coordonnées des points A et B et des coordonnées variables du point I, le <strong>chemin optique</strong> se réécrit : |
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<ins> |
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$$\delta(x_I,y_I)=n_1\cdot\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_I^2+z_A^2}$$ |
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$$\hspace{0.8cm}+n_2\cdot\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_I^2+z_B^2}$$ |
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</ins></p> |
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<p>Le <ins>parcours réellement suivi par la lumière</ins> selon le principe de Fermat doit être <strong>stationnaire</strong>. Donc <ins>tout couple de coordonnées ($x_I,y_I$) qui vérifie</ins> |
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$$\delta(x_I,y_I)=\frac{\partial\delta}{\partial x_I}\cdot dx_I\;+\;\frac{\partial\delta}{\partial y_I}\cdot dx_I=0$$ |
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pour toutes variations infinitésimales et indépendantes $dx_I$ et $dy_I$</strong>, est un <ins>parcours effectivement choisi par la lumière</ins>.</p> |
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<p>Cela n'est possible que si chacune des dérivées partiels est nulle, soit : |
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$$(3)\hspace{0.2cm}\frac{\partial\delta}{\partial x_I}=n_1\cdot{\small{\frac{x_I-x_A}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_i^2+z_A^2}}}}$$ |
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$$\hspace{0cm}+n_2\cdot{\small{\frac{x_I-x_B}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_i^2+z_B^2}}}}\;=0$$ |
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et |
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$$(4)\hspace{0.2cm}\frac{\partial\delta}{\partial y_I}=n_1\cdot{\small{\frac{y_I}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+y_i^2+z_A^2}}}}$$ |
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$$\hspace{0cm}+n_2\cdot{\small{\frac{y_I}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+y_i^2+z_B^2}}}}\;=0$$</p> |
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<p>Dans l'équation (4), chaque terme en racine carrée est un nombre réel strictement positif dans les cas qui nous intéressent (A et B de part et d'autre du dioptre, donc $z_A>0$ et $z_B>0$). De plus les indices $n_1$ et $n_2$ sont toujours supérieurs ou égaux à l'unité, donc l'équation ne peut être vérifiée que si |
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$$y_I\;=\;0$$ |
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Je retrouve bien le cas de la réflexion. Tout <strong>rayon réfracté</strong> est <ins>contenu dans le plan d'incidence</ins>.</p> |
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<p>De même, l'équation (3) n'est vérifiée que si : |
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$$n_1\cdot (x_I-x_A)\;=- \;n_2\cdot (x_I-x_B)$$ |
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et là encore, comme $n_1$ et $n_2$ sont strictement positifs, cela implique que que $x_I$ est un nombre compris entre $x_A$ et $x_B$. Dans le plan d'incidence, le <strong>rayon réfracté</strong> est toujours <ins>de l'autre côté de la normale au plan du dioptre au point d'impact</ins>, par rapport au rayon incident.</p> |
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<p>Enfin si je remarque dans cette même équation (3) que |
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<ins>$${\small{\frac{|\,x_I-x_A\,|}{\sqrt{(x_I-x_A)^2+z_A^2}}}}=\sin(i_1)$$ |
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$${\small{\frac{|\,x_I-x_B\,|}{\sqrt{(x_I-x_B)^2+z_B^2}}}}=\sin(i_2)$$</ins> |
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<ul class="main"> |
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<li>avec <strong>$i_1$ angle d'incidence</strong><ins> du rayon incident</ins> et <strong>$i_2$ angle de réflexion</strong><ins>du rayon réfléchi</ins> <strong>par rapport à la normale en I</strong><ins> au plan du miroir</ins>.</li></ul> |
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<p>j'en déduis que la <strong>relation entre l'angle d'incidence $i_1$ et l'angle de réfraction $i_2$</strong> à la surface du miroir est <ins>$n_1\cdot \sin(i_1)=n_2\cdot\sin(i_2)$</ins>.</p> |
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<h5>Etude de cas : réflexion sur un miroir elliptique</h5> |
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<h5>Etude de cas : réflexion sur un miroir sphérique concave</h5> |
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<!--ul class="list"> |
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<li>Ce dernier point est important. Si je me déplace en voiture sur un trajet entre deux villes, pour un même itinéraire, le temps de parcours dépendra de ma conduite. Je suis à chaque instant maître de la vitesse de ma voiture (dans ses limites, et dans les limites de sécurité), et donc le temps de parcours n'est pas une caractéristique du chemin lui-même.</li> |
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<li>Un temps de parcours qui ne dépendrait que du chemin lui même peut-être calculé en considérant que la voiture atteint, sur chaque portion de route caractérisée par une vitesse limite autorisée, une vitesse moyenne représentant 90% (par exemple de cette vitesse limite.</li></ul--> |
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<h5>Le principe dérivé du "retour inverse de la lumière"</h5> |
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<p>Je regarde la trajectoire d'un rayon lumineux dans l'espace. Sur cette trajectoire, je sélectionne deux points distincts quelconques sur cette trajectoire, mais tels que le sens de propagation de la lumière soit de A vers B. Quelques soient les systèmes optiques placés sur cette trajectoire entre ces deux points A et B, la trajectoire suivie par la lumière entre ces deux points suit le principe de Fermat : entre l'infinité de trajectoires possibles entre ces deux points, la lumière "choisit" celle qui minimise ou maximise le temps de parcours.</p> |
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<p>Si maintenant je considère une situation où la lumière doit se propager depuis le point B vers le point A, quelle serait la trajectoire de la lumière pour ce sens de parcours? Dans son énoncé, le principe de Fermat ne mentionne nullement un sens de propagation (de A vers B, ou de B vers A). Il est ainsi évident que la trajectoire déterminée par le principe de Fermat est identique, que la lumière se propage de A vers B ou de B vers A. Ce principe est connu sous le nom de "<strong>principe du retour inverse de la lumière</strong> et je peux l'énoncer de la façon suivante :</p> |
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<p><strong>Le trajet suivi par la lumière est indépendant du sens de propagation.</strong></p> |
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<p>Application : en optique géométrique, <ins>pour résoudre certains problèmes</ins>, il peut être <ins>parfois plus facile</ins> pour moi <ins>de considérer que la lumière se propage en sens inverse de son sens de propagation réel</ins>.</p> |
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<h3>Objets et images</h3> |
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<p class="exemple">L'optique géométrique est l'art de comprendre et maîtriser les images. Les images que je vois sont la perception indirecte d'objets. La perception est indirecte parce que les rayons lumineux issus de l'objet ne se propagent pas en ligne droite de l'objet jusqu'à l'oeil dans le milieu homogène que constitue l'air (ou l'eau, ou le vide, ou tout autre milieu homogène), mais qu'ils rencontrent sur leur trajectoire des objets surfaces réfléchissantes, des volumes transparents ou des modifications graduelles de l'indice de réfraction du milieu traversé qui modifient la direction des rayons lumineux. Ces surfaces et volumes seront appelés systèmes optiques. Entre l'objet physique initial qui émet sa propre lumière ou diffuse la lumière ambiante et l'oeil peuvent se trouver plusieurs systèmes optiques.</p> |
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<p class="exemple">Quand je dis "les images que je vois", cela signifie qu'il y a une image à voir. Mais est-ce toujours le cas? A travers une vitre translucide, je ne vois aucun des objets présents de l'autre côté de la vitre. Ou plus exactement ce que je vois semble très flou, ce qui ne m'empêche pas de distinguer des choses. Alors, ce que je vois peut-il être qualifié d'images d'objets vues à travers la vitre translucide?</p> |
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<p class="exemple">L'optique géométrique est l'art de comprendre et maîtriser les images. Mais avant de maîtriser le système optique qui me permettra de réaliser l'image que je souhaite, je dois définir la notion même d'image, je dois préciser la relation entre l'objet, l'image et le système optique qui la créé si elle existe. Avec une première question simple. Le vocabulaire est imprécis sur ce sujet : l'image est-elle seulement la perception mentale d'un objet vu à travers un système optique ? Ou bien a t'elle une existence physique propre indépendante du fait que je l'observe ou non ? Voici des questions que je dois préparer avec mon défi "objets et images".</p> |
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<p>L'<strong>objet physique initial</strong> occupe un <ins>volume dans l'espace, délimité par une surface</ins>. Cette surface peut se décomposer en une <ins>infinité de </ins><strong>surfaces physiques élémentaires</strong> (une surface élémentaire est une <ins>surface dont l'aire tend vers zéro</ins>), chacune <ins>ayant sa position propre dans l'espace, émettant sa propre lumière ou diffusant la lumière qu'elle reçoit dans un faisceau lumineux</ins></p> |
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<p>En optique géométrique, j'appelle <strong>faisceau lumineux</strong> un <ins>ensemble continu de rayons lumineux se propageant en lignes droites et convergents en un point, qui délimitent le volume de l'espace éclairé</ins>.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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Le faisceau lumineux étant un faisceau de droite, il est défini dans un milieu homogène, c'est à dire un milieu caractérisé par un indice de réfraction constant, afin que la lumière se propage effectivement en ligne droite. |
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</ul> |
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<p>Cette surface physique élémentaire peut : |
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<ul class="mainlist"> |
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<li>appartenir à la surface d'un objet quelconque, dont l'état de surface présente des irrégularités de tailles de l'ordre ou supérieures à la longueur d'onde de la lumière qui l'éclaire. Cette surface physique élémentaire diffuse alors la lumière reçu dans tout le demi-espace situé devant elle/</li> |
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<li>appartenir à la minuscule surface émettrice d'une diode laser. Le faisceau de sortie, conique, est alors extrêmement étroit, très peu divergent et je parle alors de pinceau lumineux.</li> |
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<li>être assimilé au minuscule miroir de sortie d'un laser à gaz, auquel cas le pinceau lumineux émis est si peu divergent qu'il peut être représenté un rayon lumineux unique.</li> |
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</ul> |
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D'une façon générale, toute surface élémentaire physique émet ou diffuse de la lumière par un faisceau lumineux.</p> |
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<!-- c'est facile à comprendre, mais un peu faux : un élément de surface émet de la lumière dans un angle solide de 2pi stéradians devant lui. Mais cela sera faux quand on va généraliser à un point objet comme simple point de convergence d'un faisceau lumineux, sans que ce faisceau couvre un angle solide de 2pi stéradians. . je pense qu'il faut réécrire ce paragraphe en introduisant la notion de faisceau.--> |
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. , qui émet sa propre lumière ou diffuse la lumière qu'il reçoit dans toutes les direction. Cet objet physique étant étendue, je considère chaque petite surface élémentaire de cet objet, chacune étant localisée à une position précise dans l'espace. Cette petite surface élémentaire physique émet ou diffuse de la lumière dans toutes les directions |
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<h3>Relation avec les phénomènes optiques</h3> |
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<p>Si je vois un objet, c'est que de la lumière parcourt une certaine trajectoire entre cet objet et mon oeil. La lumière porte de l'énergie. Cette énergie lumineuse est convertie en énergie chimique puis en énergie électriques dans les cellules de la rétine de mon oeil. Cette énergie électrique se propage dans le nerf optique puis les neurones de mon cortex cérébral dans lequel un processus cognitif me donne conscience de percevoir de la lumière.</p> |
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<p>J'appelle <strong> rayon lumineux</strong> une trajectoire orientée par une flèche parcourue par la lumière entre le point objet qui émet la lumière et</p> |
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<p> L'objet que je vois est en général étendu, et donc dans une direction particulière de l'espace, je vois une infime partie de l'objet. Je peux décomposer cet <strong>objet visible</strong> en un <em>ensemble continue de points émetteur</em>. Ainsi chaque <strong>point émetteur</strong> <em>émet donc de la lumière</em>, c'est à dire q'<em>un ensemble de rayons lumineux partent du point émetteur</em>.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>J'appelle <strong>point objet émetteur</strong> ou <strong>source ponctuelle primaire de lumière</strong> , un <em>point émetteur qui créé sa propre lumière</em>. Même dans l'obscurité ambiante, un objet émetteur sera vu.</li> |
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<li>J'appelle <strong>point objet diffuseur</strong>, un <em>point objet qui diffuse dans toutes les directions de l'espace, la lumière qu'il reçoit d'une source éclairante </em>(soleil, lampe,...).</li> |
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<li>J'appelle <strong>point objet réflecteur</strong> un point objet qui, <em>pour chaque rayon lumineux incident qu'il reçoit, re-émet ce rayon lumineux dans une direction particulière suivant la loi de la réflection</em>.</li></ul> |
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<!-- Source étendue de surface S, élément de surface dS d'une source étendue, source ponctuelle |
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Source qui émet dans toutes les directions, source qui émet un faisceau parallèle ou faiblement divergent (lasers, diodes lasers). Source monochromatique, quasi-monochromatique, polychromatiques (avec raies d'émission discrètes et/ou émission large bande. /M intensité spectrale, les couleurs de l'univers--source ponctuelle toujours réelle--> |
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<!-- créer une image : faire en sorte que tout point source dans l'espace 3D se projette en une image ponctuelle dans un plan donné , plan de l'image : C'est le rôle d'un système optique réalisé dans un objectif d'imagerie. L'angle de vue définit la projection.. défauts : aplanétisme, stigmatisme, profondeur de champ, aberrations--> |
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<!--caractéristique d'une source diffusante : point de convergence initial des faisceaux issus de la source si pas de changement de milieu de propagation : ce sera la caractéristiques d'un point objet. |
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toute source ponctuelle est un point objet pour un système optique. Tout point objet n'est pas source ponctuelle.--> |
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<!-- instrument d'optique : former des images ponctuelles dans un plan donné de sources ponctuelles |
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système optique : former des images ponctuelles de points objets ponctuels |
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point objet et point image sont conjugués par le système optique. |
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Point objet réel ou virtuel / point image réel ou virtuel--> |
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<!-- vision à l'oeil nu , image à l'infini--> |
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<!--point source -- système optique -->image ponctuelle.--> |
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<!-- caractéristique d'une image :--> |
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<h3>La relation objet image</h3> |
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<h3>L'image 3D d'un objet 3D</h3> |
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<h4>Existence et définition d'une image</h4> |
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<h4>Le stigmatisme d'un système optique</h4> |
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<h4>Grandissement transversal et grandissement longitudinal</h4> |
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<h3>Projection d'une image dans un plan</h3> |
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<h4>Nécessité d'une image plane</h4> |
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<h4>Le stigmatisme dans le plan image</h4> |
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<h4>Les défauts d'une image plane</h4> |
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<h5>L'aberration sphérique</h5> |
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<h5>La coma</h5> |
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<h5>L'aberration chromatique</h5> |
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<h4>la profondeur de champ</h4> |
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<h2>Les éléments optiques simples</h2> |
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<p>J'appelle <strong>élément optique</strong> <ins>toute structure matérielle qui</ins>, exposée ou placée dans un faisceau de lumière, <ins>modifie la direction de propagation des rayons lumineux du faisceau ou le bloque</ins> ou modifie toute autre propriété de la lumière du faisceau.</p> |
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<ul class="exemple"> |
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<li>En optique géométrique, l'élément optique modifie simplement la direction des rayons <ins>par réflexion ou réfraction</ins>, ou bien le bloque <ins>par absorption</ins>. Dans une description plus complète de la lumière (optique ondulatoire, électromagnétisme, optique quantique qui est une partie de l'électrodynamique quantique), l'élément optique modifie d'autres propriétés de la lumière qui ne sont pas décrites par l'optique géométrique. Il peut atténuer ou absorber la lumière, complètement ou sélectivement selon la longueur d'onde (ce qui revient à dire selon la fréquence de l'onde électromagnétique ou l'énergie des photons incidents), il peut diffracter la lumière ou changer son état de polarisation. Technologiquement, des systèmes optiques complexes peuvent aussi modifier la longueur d'onde, la durée du pulse d'un faisceau laser, ...</li></ul> |
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<p><strong>En optique géométrique</strong> qui décrit l'optique de la vie de tous les jours, les <strong>éléments optiques simples</strong> seront ceux qui sont utiliser pour construire les appareils optiques usuels : je les limite au <ins>miroirs</ins>, aux <ins>dioptres</ins>, et aux <ins>lentilles minces </ins>.</p> |
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<p>Un système matériel présente un <strong>symétrie de révolution autour d'un axe $Oz$</strong> si <ins>toutes les caractéristiques de cet élément dans un plan contenant l'axe $Oz$ restent identiques dans tout plan contenant le même axe $Oz$</ins>. Les caractéristiques du système matériel que va prendre en compte l'optique géométrique seront bien sur la <ins>forme</ins>, l'<ins>état de surface</ins> (qui permet ou non le phénomène de réflexion) et la <ins>matière</ins> (à travers l'indice de réfraction qui la caractérise).</p> |
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<ul class="exemple">Je nomme souvent $Oz$ l'axe d'une symétrie de révolution, par référence au système de coordonnées cylindriques qui décrit facilement ce type de symétrie.</ul> |
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<p>La plupart des appareil optiques usuels (télescopes, lunettes astronomiques ou terrestres, microscopes, optique d'un appareil photo, ...) présentent une symétrie de révolution autour d'un axe que je peux appeler $Oz$, par référence au système de coordonnées cylindriques qui décrit facilement ce type de symétrie. Il en est donc de même pour les miroirs, lentilles et dioptres qui les composent.</p> |
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<p>Les <strong> éléments optiques simples</strong> sur lesquels je vais travailler à ce niveau <ins>présentent une symétrie de révolution</ins>.</p> |
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<h3>Réflexion et réfraction d'un rayon incident sur une surface</h3> |
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<p>La surface que je considère ici est une <ins>surface réelle séparant deux milieux homogènes d'indices de réfraction différents</ins>. Si les deux milieux sont transparents, cette surface s'appelle un dioptre.</p> |
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<ul class="list"> |
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<!-- A mettre dans la partie /M en vidéo ou texte? --> |
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<li>Les propriétés optiques de tout milieu homogène sont traduites dans l'indice de réfraction complexe caractérisant le milieu. La partie réelle de l'indice de réfraction décrit comment la lumière (et plus généralement l'onde électromagnétique) se propage dans le milieu. La partie imaginaire de l'indice de réfraction décrit comment la lumière est absorbée dans le milieu. Dans le cas des milieux transparents, la valeur de l'indice de réfraction est donc un nombre réel.</li><br> |
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<li> Propagation et absorption dépendent de la fréquence $\nu;$ de l'onde électromagnétique incidente (donc de l'énergie $E_{pho}$ des photons incidents selon la relation $E_{pho}=h\;\nu;$, avec $h$ la constante de Planck de valeur $h=6.62\cdot10^{-34}\,J\,s$ dans le système international d'unité). Ainsi l'ensemble des propriétés optiques se traduisent par l'indice de réfraction qui est une fonction réelle (elle dépend de la fréquence ou de la longueur d'onde dans le vide de l'onde qui se propage) à valeurs complexes (l'indice de réfraction complexe).</li><br> |
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<li>Le domaine de la lumière visible représente une infime partie du spectre électromagnétique. Dans ce domaine visible, la valeur de l'indice de réfraction varie avec la longueur d'onde, comme me le montre un prisme qui sépare spatialement les différentes composantes colorées d'une lumière blanche incidente. Mais cette variation de l'indice de réfraction dans le visible reste faible, et seule sa valeur moyenne, où ses valeurs à quelques longueurs d'onde précises, sont retenues.</li><br> |
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<li>Par contre, sur l'ensemble du spectre électromagnétique, l'indice de réfraction (partie réelle comme partie imaginaire qui sont liées) révèle un profil de variation complexe. Ce profil rend compte de l'ensemble des mécanismes physiques d'interaction entre l'onde électromagnétique et la matière, il est bien compris et peut être facilement modélisé.</li> |
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</ul> |
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<p>Le rayon lumineux étant une ligne de section nulle, <strong>le voisinage de la surface au point d'impact est toujours une portion de plan</strong> (au premier ordre).</p> |
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<p>Le <strong>plan d'incidence</strong> est le <ins>plan perpendiculaire à la surface, contenant le rayon incident, et la normale à la surface au point d'impact</ins>.</p> |
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<p>Au point d'impact I, <ins>une partie de l'énergie du rayon incident est réfléchie et l'autre est transmise </ins>, conduisant à un rayon réfléchi et un rayon réfracté.</p> |
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<p><strong>L'énergie transmise</strong> dans le second milieu <ins>se propage sans perte dans un milieu transparent</ins>. Elle <ins>est absorbée dans un milieu opaque</ins><p> |
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<ul class="list"> |
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<li>L'optique géométrique étudie la direction de propagation de l'énergie (donnée par les rayons lumineux) mais n'étudie pas la répartition de l'énergie entre rayon réfléchi et rayon transmis, ni l'absorption progressive de l'énergie lors de la propagation dans un milieu non totalement transparent ou opaque. Donc tous les éléments et milieux optiques étudiés en optique géométrique seront considérés comme idéalement transparents.</li><br> |
|||
<li>Je comprendrai, si je le souhaite, la répartition entre énergie réfléchie et énergie transmise, dans le cadre de l'électromagnétisme appliquée aux ondes électromagnétiques. En particulier, cela dépendra des indices de réfraction des deux milieux de part et d'autre de la surface, de l'angle d'incidence, de certaines caractéristiques de l'onde incidente par rapport au plan d'incidence (modes transverse électrique et transverse magnétique de l'onde incidente). Je comprendrai et maîtriserai tout cela en établissant les équations de Fresnel.</li></ul> |
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<h3>Le miroir</h3> |
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<h4>Le miroir plan</h4> |
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<h4>Le miroir sphérique</h4> |
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<p> Un <strong>miroir sphérique</strong> est un miroir dont la <ins>surface s'inscrit dans la surface d'une sphère</ins>. Il présente en général une <ins>symétrie de révolution autour de l'axe optique.</ins> Il est <ins>définit par deux points situés sur l'axe optique</ins> :</p> |
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<ul class="text"> |
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<li>Son <strong>sommet S</strong>, <ins>intersection du miroir avec l'axe optique</ins>.</li> |
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<li>Son <strong>centre C</strong>, qui est le <ins>centre de la sphère</ins> dans laquelle s'inscrit la surface du miroir.</li> |
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</ul> |
|||
<p>Le <strong>rayon de courbure R</strong> est la longueur (non algébrique) du segment de droite. [S;C].</p> |
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<p> Dans les calculs, les longueurs sont algébriques, donc j'ai : <strong>$R=|SC|=|CS|$</strong></p> |
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<h3>Le dioptre</h3> |
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<h4>Le dioptre sphérique</h4> |
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<p> Un dioptre sphérique est une surface qui s'inscrit localement sur la surface d'une sphère, et qui sépare deux milieux homogènes et isotropes d'indices de réfraction différents.</p> |
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<p> L'axe optique |
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<h4>Le dioptre plan</h4> |
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<p> Le dioptre plan étant un dioptre sphérique de rayon de courbure infini, les lentilles sphériques épaisses sont généralement classées en :</p--> |
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<h3>La lentille</h3> |
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<h4>La lentille épaisse</h4> |
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<p> Une lentille épaisse sphérique est un système optique composée de deux dioptres sphériques séparant le milieu constitutif de la lentille, centrés sur un même axe de révolution.</p> |
|||
<p> Il est défini par 4 points situés sur l'axe optique : |
|||
<ul><li> S1 et C1 : sommet et centre de courbure du premier dioptre, celui que rencontre la lumière incidente</lI> |
|||
<li> S2 et C2 : sommet et centre de courbure du deuxième dioptre, celui que quitte la lumière émergente. </lI></ul> |
|||
<p>Ces 4 points définissent 3 longueurs algébriques :</p> |
|||
<ul><li> S1C1 et S2C2 les rayons de courbures (algébriques) des deux dioptres.</li> |
|||
<li> S1S2 la distance (algébrique) entre les sommets des deux dioptres.</li></ul> |
|||
<p>Ces 2 dioptres séparent 3 milieux d'indices de réfraction différents :</p> |
|||
<li>n1 : indice de réfraction du milieu de propagation de la lumière incidente.</li> |
|||
<li>n2 : indice de réfraction du milieu constitutif de la lentille.</li> |
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<li>n3, indice de réfraction du milieu de propagation de la lumière émergente.</li></ul> |
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<h4>La lentille mince</h4> |
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<h2>L'oeil</h2> |
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<h3>Anatomie de l'oeil</h3> |
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<h3>Fonctionnement de l'oeil</h3> |
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<!-- vision de loin, vision proche : l'oeil au repos et l'oeil accommodant --> |
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<!-- quand on parle de l'iris et la pupille : dans la partie /M, parler de regarder un objet à travers un tout petit trou fait avec sa main : lien avec les conditions de Gauss--> |
|||
<h4>Le phénomène d'accommodation</h4> |
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<!-- distance maximale de vision distincte et punctum remotum--> |
|||
<!-- distance minimale de vision distincte et punctum proximum--> |
|||
<h4>L'oeil normal</h4> |
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<!-- en terme de plage de vision distincte--> |
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<!-- en terme de champ de vue--> |
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<!-- en terme d'acuité visuel--> |
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<!-- en terme de vision des couleurs--> |
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<h3>Les défauts de la vision</h3> |
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<h4>L'oeil hypermétrope</h4> |
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<h4>L'oeil myope</h4> |
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<h4>L'oeil astigmate</h4> |
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<h4>L'oeil presbyte</h4> |
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<h4>L'oeil daltonien</h4> |
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<!--les dichromates, les trichromates anormaux--> |
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<h3>Modéliser simplement l'oeil et sa correction</h3> |
|||
<h4>Le cristallin modélisé par une lentille convergente</h4> |
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<h4>L'oeil modélisé par un dioptre</h4> |
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<h4>La lunette de vue</h4> |
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<h4>La lentille de contact</h4> |
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<h2>Les instruments optiques</h2> |
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<h3>Caractériser un système optique</h3> |
|||
<h4>Caractériser un système</h4> |
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<h4>Grandeurs d'entrée et de sortie caractérisant un système optique</h4> |
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<p>Tout système $Syst$ admet des grandeurs d'entrée $E_1, E_2,...E_n$ et fournit des grandeurs de sortie $S_1, S_2,...S_m$.</p> |
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$$Syst\: :\:E_1, E_2,...E_n\: \mapsto\: S_1, S_2,...S_m$$ |
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<TABLE> |
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<TR> <TD><TH ROWSPAN=2></TH> |
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<TH COLSPAN=2>Caractérisation OBJET</TH></TD> |
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</TR> |
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<TR> <TD><TH>Taille $BC$</TH><TH>Diamètre apparent $\alpha$</TH></TD> |
|||
</TR> |
|||
<TR> <TH ROWSPAN=2>Caractérisation IMAGE</TH> |
|||
<TH>Taille $B'C'$</TH><TD>Grandissement $\gamma$</TD><TD>0.003</TD> |
|||
</TR> |
|||
<TR> <TH>Diamètre apparent $\alpha'$</TH><TD>1.7</TD><TD>0.002</TD> |
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</TR> |
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</TABLE> |
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<!-- taille ou diamètre apparent --> |
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<h3>Les composants standards : l'objectif et l'oculaire</h3> |
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<h3>L'appareil photo</h3> |
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<h4>Le capteur photosensible</h4> |
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<h4>L'objectif, le téléobjectif, le macro-objectif</h4> |
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<h4>La profondeur de champ</h4> |
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<h3>La loupe</h3> |
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<h3>Le microscope</h3> |
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<p>Le microscope permet de voir des détails invisibles à la simple vision directe, d'un objet de petite taille placé devant lui. |
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est un système optique centré, qui donne d'un objet de petite taille placé devant lui |
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<h3>Les lunettes terrestres et astronomiques</h3> |
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<!-- parler du viseur --> |
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<h3>Le télescope</h3> |
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<h3>L'appareil photo</h3> |
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<h3>Le colimateur</h3> |
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<h1>Optique ondulatoire </h1> |
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@ -1,754 +0,0 @@ |
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title: Antisèche |
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slug: antiseche |
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# Qu'est-ce que la lumière? |
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## Elle se comporte comme une onde |
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## Elle se comporte comme un flux de corpuscules |
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## Elle s'étend au-delà du visible |
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# L'optique pour la vie de tous les jours |
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<figure class=lang1><img src="../mise_au_point_lesson/images/Opt_geom_1.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:110%; height:auto; margin:0 -15px 0 -15px; padding=0px;"> |
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<!--figcaption class="fr">L'optique géométrique : l'optique de la vie de |
|||
tous les jours</figcaption--> |
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</figure> |
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<audio id="son1" class="M3P2_audio" controls preload="auto"> |
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<source src="../audio/OG_intro.ogg" type="audio/ogg"> |
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<source src="../audio/OG_intro.mp3" type="audio/mpeg"--> |
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Your browser does not support the audio element. |
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</audio> |
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<!-- précédent audio ../audio/test_audio_optique_1.mp3 et idem ogg --> |
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## Optique géométrique :<br> optique de la vie de tous les jours. |
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<ul> Permet de comprendre : |
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<li> <em>La vision </em></li> |
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<li> Les appareils d'optiques : <br><em>loupes, télescopes, lunettes astronomiques ou terrestres, microscopes, appareils photographiques avec téléobjectifs et zoom</em>.</li> |
|||
<li> <em>Les lunettes de vue et les lentilles de contact </em>pour corriger les défauts de la vue.</li> |
|||
<li> Les phénomènes optiques comme <br> <em>le brouillard, les arcs-en-ciel, les mirages</em>.</li> |
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<li> Le fonctionnement d'une <em>fibre optique</em>.</li></ul> |
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<!--text de l'audio : |
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Si l'optique géométrique est la science la plus ancienne de l'optique, c'est vraiment celle qui s'applique au plus proche de notre vie de tous les jours. |
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Elle permet de comprendre comme l'oeil perçoit son environnement. Elle permet aussi de comprendre comment fonctionnent les appareils optiques usuels, tels que l'appareil photo avec son zoom ou ses divers objectifs, le microscope, le télescope et les lunettes astronomiques ou terrestres. |
|||
Elle permet aussi de caractériser les défauts de l'oeil, de comprendre comment les lunettes de vue et les lentilles de contact corrigent ces défauts, et de calculer leurs profils selon les défauts à corriger. |
|||
Elle permet de comprendre les phénomènes optiques comme l'arc en ciel (aussi bien ses couleurs que sa forme et sa position par rapport au soleil) et comme les mirages observés parfois dans le désert. |
|||
Elle permet enfin de comprendre comment la lumière peut se propager dans une fibre optique, qui est à la base de tous les réseaux de communications terrestres modernes.--> |
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## Optique géométrique : <br> une brève chronologie |
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<img src="../images/chrono_opt_geo_fr_v2.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
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<img src="../images/chrono_text_opt_geo_fr_v2.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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## Optique géométrique : <br> position dans les sciences de l'optique |
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<img src="../images/sciences_optique_rays_fr.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" class="center" style="width:100%"; > |
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## Fondement de l'optique géométrique |
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<!--h3>Concepts et principe de base (ca, partie T</h3--> |
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### Optique géométrique : <br>un modèle physique simple. |
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|||
<ul>Ses fondements sont : |
|||
<li> Le concept de <em>rayon lumineux</em> : trajectoire orientée de l'énergie lumineuse</li> |
|||
<li> Le concept d' <em>indice de réfraction</em> : caractérise la vitesse apparente de propagation de la lumière dans un milieu homogène</li> |
|||
<li> Le <em>principe de Fermat</em></li></ul> |
|||
<!-- "étendu" : entre deux points de l'espace, le rayon de lumière suit le ou les chemins--> |
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#### Rayon lumineux |
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<img src="../images/rays_forest.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> |
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<!--Pour l'audio : |
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Se promener en forêt par une journée chaude de plein été est un plaisir immense. Le contraste entre la fraicheur des parties ombragées par le feuillage et les troncs d'arbres, et la chaleur dans la lumière directe du soleil est frappant. Les faisceaux de lumière directe augmentent la température de l'air, te faisant transpirer, et frappent ta peau en te donnant cette légère sensation, non désagréable car maitrisée, de brûlure. La lumière transporte de l'énergie.... En marchant, tu peux anticiper, presser le pas à l'arrivée d'une zone ombragée, car le jeu de la lumière avec les arbres zèbre l'espace autour de toi. Dans l'air aux senteurs uniques et merveilleuses de la forêt, les rayons de lumières se propagent en lignes droites, ils suivent la trajectoire de propagation de l'énergie lumineuse.--> |
|||
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|||
<audio id="son2" class="M3P2_audio" controls preload="auto"> |
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<source src="../audio/OG_rayons_foret.ogg" type="audio/ogg"> |
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<source src="../audio/OG_rayons_foret.mp3" type="audio/mpeg"> |
|||
Your browser does not support the audio element. |
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</audio> |
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|||
Les <strong>rayons lumineux</strong> sont des <ins>lignes orientées</ins> qui en chacun de leur point, indiquent la <ins>direction et le sens de propagation de l'énergie lumineuse</ins>. |
|||
Les rayons lumineux suivent des <ins> lignes droites dans un milieu homogène</ins> |
|||
Les rayons lumineux <ins>n'interagissent pas entre eux</ins> |
|||
|
|||
#### L'indice de réfraction |
|||
|
|||
<strong>Indice de réfraction $ n$ </strong>: |
|||
<strong>$$n\;=\;\frac{c}{v}$$</strong> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>c </strong>:<ins> vitesse de la lumière dans le vide </ins>(limite absolue)</li> |
|||
<li><strong>v </strong>: <ins> vitesse de la lumière dans le milieu </ins>homogène.</li> |
|||
<li>grandeur physique <strong>sans dimension</strong> et <strong>toujours >1</strong>. |
|||
</ul> |
|||
|
|||
Dépendance : $ n\;=\;n(\nu)$ |
|||
$\hspace{1.2cm}\;=\;n(\lambda)$<ins> ($\lambda$ : longueur d'onde dans le vide)</ins> |
|||
|
|||
|
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>sur l'ensemble du spectre électromagnétique et pour tout milieu : <br> |
|||
valeur complexe dépendante de la fréquence de l'onde électromagnétique, fortes variations représentatives de tous les mécanismes d'interaction lumière/matières : $n(\nu)=\Re[n(\nu)]+\Im[n(\nu)]$</li> |
|||
<li>sur le <strong>domaine visible</strong> et pour milieu transparent : <br> |
|||
valeur réelle, <ins>faible variation</ins> de $n$ avec $\nu$ ( $\frac{\Delta n}{n} < 1\%$)</li></ul> |
|||
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|||
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|||
#### Principe de Fermat |
|||
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|||
##### Stationnarité |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>$\Gamma_o$</strong> : <ins>chemin entre 2 points fixes A et B</ins></li> |
|||
<li><strong>$\lambda_i$ </strong> : <ins>paramètres définissant un chemin</ins></li> |
|||
<li><strong>${\Large\tau}$ </strong> : <ins>grandeur physique caractérisant un chemin</ins></li></ul> |
|||
<strong>${\Large\tau}(\Gamma_o)$ stationnaire</strong><ins> |
|||
$${\color{red}\Longleftrightarrow}\:\mathrm{d}{\Large\tau}(\Gamma_o)=\sum_i\frac{\partial{\large\tau}}{\partial\lambda_i}(\Gamma_o)\;\mathrm{d}\lambda_i=0$$</ins> |
|||
<img src="../images/stationnarite3_650.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
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|||
##### Fermat ( temps de parcours ) |
|||
|
|||
"<strong>Entre 2 points</strong> de son parcours, un <strong>rayon de lumière</strong> suit <strong>"le" ou "les chemins"</strong> qui présentent un <ins>temps de parcours stationnaire</ins>." |
|||
|
|||
##### Chemin optique |
|||
<strong>chemin optique</strong><ins> $\delta$</ins> = |
|||
<p class="center"><strong>longueur euclidienne</strong><ins> $s$ </ins> ×   <strong>indice de réfraction</strong><ins> $n$ |
|||
</ins> |
|||
<br> |
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|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>$\Gamma$</strong> : <ins>chemin entre 2 points fixes A et B</ins></li> |
|||
<li><strong>$\mathrm{d}s_P$</strong> : <ins>élément de longueur infinitésimal au point P sur le chemin $\Gamma$</ins></li> |
|||
<li><strong>$\mathrm{d}\delta_P$</strong> : <ins>chemin optique infinitésimal au point P sur le chemin $\Gamma$</ins></li></ul> |
|||
|
|||
Chemin optique le long d'un chemin entre 2 points fixes A et B : |
|||
<strong>$$\delta\;=\;\int_{P \in \Gamma}\mathrm{d}\delta_P\;=\;\int_{P \in \Gamma}n_P\cdot\mathrm{d}s_P$$</strong><br> |
|||
|
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>$\delta$</strong> $\int_{\Gamma}n\cdot\mathrm{d}s\;=\;\int_{\Gamma}\frac{c}{v}\cdot\mathrm{d}s$ = $c\;\int_{\Gamma}\frac{\mathrm{d}s}{v}$ = <ins>$\;c\;\tau$</ins></li> |
|||
<br> |
|||
<li><strong>$\delta$</strong> est <ins>proportionnel au temps de parcours</ins>.</li></ul> |
|||
|
|||
|
|||
##### Fermat ( chemin optique ) |
|||
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|||
"<strong>Entre 2 points</strong> de son parcours, la <strong>lumière</strong> suit <strong>"le" ou "les chemins"</strong> qui présentent un <ins>chemin optique stationnaire</ins>." |
|||
|
|||
##### Exemples |
|||
|
|||
<strong>Miroir sphérique concave</strong> |
|||
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|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>A</strong> : <ins>source ponctuelle</ins> émet lumière dans toutes les directions</li> |
|||
<li><strong>B</strong> : <ins>point fixe de l'espace</ins> |
|||
</ul> |
|||
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|||
|
|||
pour un ce miroir, <strong>selon les positions de A et B :</strong> |
|||
|
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>Plusieurs extrema</strong> : ici <ins>2 maxima</ins> et <ins>1 minimum</ins><br> |
|||
<strong>$\Longrightarrow$ plusieurs rayons</strong> issus de A passent par B : ici <ins>3 rayons</ins></li></ul> |
|||
|
|||
<iframe id="Axe_opt" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/syegm6gp"></iframe> |
|||
<!--iframe id="Axe_opt" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/syegm6gp" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.6);"></iframe--> |
|||
|
|||
<br> |
|||
<img src="../images/Fermat_mir_3ray_650.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
|
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>autres positions de A et B :<strong>1 minimum</strong> : <br> |
|||
<strong>$\Longrightarrow$ 1 rayon unique</strong> issu de A passe par B .</li></ul> |
|||
|
|||
<img src="../images/Fermat_mir_1ray_min_650.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
|
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>autres positions de A et B :<strong>1 maximum</strong> : <br> |
|||
<strong>$\Longrightarrow$ 1 rayon unique</strong> issu de A passe par B. |
|||
</li></ul> |
|||
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|||
<img src="../images/Fermat_mir_1ray_max_650.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
|
|||
|
|||
<strong>Miroir elliptique concave</strong> |
|||
|
|||
<ul class="main"><li><strong>entre les deux "foyers géométriques" F et F' d'un miroir elliptique</strong> |
|||
<strong>tous les chemins</strong> interceptant le miroir sont <strong>stationnaires</strong> : <ins>ils ont le même chemin optique</ins> |
|||
<ul class="exemple"><br><li> ATTENTION : les "foyers géométriques" de l'ellipsoïde de révolution, "surface géométrique" dans laquelle s'inscrit la surface du miroir elliptique, ne correspondent pas aux "foyers" du miroir elliptique tels qu'ils seront définis au "sens optique" du terme dans la suite de ce cours.</li></ul><br> |
|||
<strong>$\Longrightarrow$ </strong> : <ins>tous les rayons issus de l'un des foyers géométriques et interceptant le miroir convergent vers le second foyer géométrique</strong></li></ul> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/fermat_mir_elliptique_650.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<!-- Pour la partie T? en la développant? ul class="exemple"> |
|||
<li>Attention : un miroir elliptique est un miroir dont la surface s'inscrit dans un ellipsoïde re révolution. Un ellipsoïde de révolution est une surface obtenue par rotation dans l'espace d'une ellipse autour d'un des axes de symétrie de l'ellipse. Une ellipse est une ligne courbe fermée inscrite dans un plan, et qui s'obtient très facilement à partir de deux points spécifiques appelés "foyers de l'ellipse" et distants d'une longueur L, et d'une longueur </li></ul--> |
|||
|
|||
<strong>Autres systèmes optiques</strong> |
|||
|
|||
<ul class="exemple"> |
|||
<li>L'extremum peut être du type "point d'inflexion". Il est possible de trouver des systèmes optiques (par exemple un miroir de forme un peu plus compliquée) où la trajectoire entre 2 points particuliers d'un rayon lumineux interceptant le miroir soit stationnaire, sans être un minimum ni un maximum, mais un point d'inflexion.</li></ul> |
|||
|
|||
|
|||
## Les éléments optique simples : dioptres, miroirs, lentilles minces |
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### Réflexion et réfraction d'un rayon incident sur une surface |
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Au point d'impact (dioptre/miroir) : |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>surface</strong> : <ins> assimilable à un plan</ins></li> |
|||
<li><strong>plan d'incidence</strong> : <ins>contient "normale à la surface" et "rayon incident"</ins></li> |
|||
<li><strong>rayon réfracté et rayon réfléchi </strong> : <ins>dans le plan d'incidence</ins></li></ul> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li><strong>une partie de l'énergie</strong> : <ins> réfléchie</ins></li> |
|||
<li><strong>l'autre partie de l'énergie</strong> : <ins> transmise</ins></li></ul> |
|||
<ul class="list"><strong>L'énergie transmise</strong> : |
|||
<li><ins> se propage </ins>(milieux transparents)</li> |
|||
<li><ins> est absorbée </ins>(milieux opaques)</li> |
|||
<br> |
|||
<li><strong>Les angles</strong> : <ins>toujours définis par rapport à la normale</ins> à la surface au point d'impact</ins></li></ul> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/interaction_lumiere_surface_3.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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|||
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|||
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#### Loi de la réflexion |
|||
Le <strong>rayon réfléchi</strong> est <ins>dans le plan d'incidence, du côté opposé</ins> à celui du rayon incident par rapport à la normale à la surface au point d'impact, et : <strong> l'angle de réflexion $r$ est égal à l'angle d'incidence $i_1$ : |
|||
$$r=i_1$$ </strong> |
|||
|
|||
<img src="../images/Loi_reflexion.png" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
|
|||
|
|||
#### Loi de la réfraction : 'Snell-Descartes' |
|||
Le <strong>rayon réfracté</strong> est <ins>dans le plan d'incidence, du côté opposé</ins> à celui du rayon incident par rapport à la normale à la surface au point d'impact, et il vérifie : |
|||
<ul class=list> |
|||
<li><strong>$n_1$</strong> : <ins> indice réfraction milieu 1</ins> |
|||
<li><strong>$n_2$</strong> : <ins> indice réfraction milieu 2</ins> |
|||
<li><strong>$i_1$</strong> : <ins> angle d'incidence dans milieu 1</ins> |
|||
<li><strong>$i_2$</strong> : <ins> angle de réfraction dans milieu 2</ins></ul> |
|||
<strong>$$n_1\cdot \sin(i_1)\;=\;n_2\cdot\sin(i_2)$$</strong> |
|||
<img src="../images/Opt_Geo_loi_refrac.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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#### Réfraction : angle critique et réflexion totale |
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Loi de la réfraction $\Rightarrow$ pour angle $i_1$ donné : |
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<ins>$$i_2=\arcsin\bigg(\frac{n_1}{n_2}\cdot\sin(i_1)\bigg)$$</ins> |
|||
si <strong>$\frac{n_1}{n_2}\cdot\sin(i_1)>1$</strong>, alors : |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>pas de solution pour $i_2$ : <ins>pas de rayon réfracté</ins><br> |
|||
aucune énergie n'est transmise</li> |
|||
<li><ins>rayon incident réfléchi</ins> à la surface du dioptre, <ins>avec : $r=i_1$</ins><br> |
|||
toute l'énergie est réfléchie : phénomène de <strong>réflexion totale</strong></li></ul> |
|||
<ul class="list"><li><ins>angle d'incidence limite $i_{1\,lim}$ de réflexion totale </ins>: |
|||
<strong>$$i_{1\,lim}=arcsin\bigg(\frac{n_2}{n_1}\bigg)$$</strong></li></ul> |
|||
<img src="../images/Opt_Geo_refle_lim.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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<iframe id="Sym_revol" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/bg5ewxee" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.51);"></iframe> |
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<br> |
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#### Principe du retour inverse de la lumière |
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La <strong>trajectoire d'un rayon lumineux</strong> est <ins>indépendante du sens de propagation de la lumière sur cette trajectoire</ins>. |
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### Elements optiques simples : dioptres, miroirs, lentilles minces |
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#### Des éléments à symétrie de révolution |
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Les <strong>éléments optiques </strong>utilisés dans les instruments optiques (télescopes, objectifs d'appareils photographiques, microscopes, ...) présentent une <ins>symétrie de révolution autour d'un axe </ins> $Oz$, appelé <ins>axe de révolution</ins>. Cela signifie que les caractéristiques de l'élément (forme, matière, ...) dans un plan contenant cet axe $Oz$ reste identique dans tout plan contenant ce même axe $Oz$. |
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<img src="../images/sym_rev_2.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<!--iframe id="Sym_revol" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/mpz8yfgd" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.2);"></iframe--> |
|||
|
|||
#### Des systèmes optiques centrés |
|||
Les <strong>systèmes optiques centrés </strong>sont constitués de <ins>plusieurs éléments optiques usuels</ins> alignés selon leur <ins>axe de révolution commun</ins> appelé <strong>axe optique</strong> du système centré. |
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<img src="../images/axe_opt.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<!--iframe id="Axe_opt" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/wrwbyjgh" height="auto"" onload="adjust_ggb(this.id,0.57);"></iframe--> |
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### Le miroir : |
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#### Miroir : une surface réfléchissante. |
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##### Miroir : une surface réfléchissante. |
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<ul class="main"> |
|||
<li> Un miroir est une surface qui réfléchit tout rayon incident, selon la loi de la réflexion.</li> |
|||
<li>Pour obtenir un miroir, il faut une <ins>surface dont idéalement les défauts de rugosité sont de taille inférieure à $\lambda / 10$ </ins>..</li> |
|||
</ul> |
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|||
##### La couleur d'un miroir |
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<strong>couleur d'un objet</strong> : |
|||
<ul class="mainlist"> |
|||
<li><ins>si définie par les longueurs d'onde réfléchie lorsque éclairé en lumière blanche </ins>. Un miroir réfléchie également toutes les longueurs d'onde. Donc :<br> |
|||
<strong>couleur d'un miroir parfait</strong> : <ins>blanc</ins>.</li> |
|||
<li><ins>si définie par les longueurs d'onde diffusées lorsque éclairé en lumière blanche </ins>. Un miroir ne diffuse pas la lumière incidente, mais la réfléchi et cela quelque soit la longueurs d'onde. Donc :<br> |
|||
<strong>couleur d'un miroir parfait</strong> : <ins>noir</ins>.</li></ul> |
|||
|
|||
<strong>couleur perçue</strong> d'un miroir : la <ins>couleur de l'objet dont il réfléchit les rayons en direction de notre oeil</ins>. |
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<br> |
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<img src="../images/coul_miroir.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br><br> |
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|||
#### Soumise à la loi de la réflexion |
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#### Les différents types de miroirs |
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Une <strong>surface orientée</strong>, avec <ins>un côté métallisé réfléchissant.</ins> |
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#### Miroir plan |
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#### Miroir sphérique concave |
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#### Miroir sphérique convexe |
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<iframe id="Re_MC_M3P2" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/fcs3hq89" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.46);"></iframe> |
|||
<br> <br> |
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#### Miroir parabolique |
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<br> <br> |
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### Le dioptre : |
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#### Soumis à la loi de Snell-Descartes |
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En chaque point d'impact sur le dioptre : <strong>$$n_1\cdot\sin\theta_1 = n_2\cdot\sin\theta_2$$ |
|||
$\theta_1$ et $\theta_2$ : définis par rapport à la normale au plan tangent au point d'impact</strong> |
|||
|
|||
<strong>Dioptre sphérique</strong> : la normale au plan tangent au point d'impact est la droite qui joint le point d'impact en centre de courbure C, donc : |
|||
<ul class="main"><strong> |
|||
<li>$\theta_1$ et $\theta_2$ : définis par rapport à la droite joignant point d'impact au centre de courbure C.</strong></li> |
|||
<li>Tout rayon lumineux dirigé vers le centre de courbure C n'est pas dévié.</li></strong></ul> |
|||
<iframe id="Re_DSCo" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/ypx5vqcr" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.55);"></iframe> |
|||
<br> <br> |
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|||
#### Conditions de Gauss pour stigmatisme approché |
|||
<iframe id="CG_DSCo" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/x4hxqekd" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.55);"></iframe> |
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<br> <br> |
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#### Représentation en conditions de Gauss |
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<br> <br> |
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### La lentille épaisse : |
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#### Un système optique composé de deux dioptres |
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Deux dioptres sphériques de révolution autour d'un même axe, fixes l'un par rapport à l'autre, délimitant 3 milieux homogènes et transparents d'indices de réfraction différents. |
|||
<ul class="main">Définie par : |
|||
<li>4 points S1, C1, S2, C2, respectivement sommets et centres des deux dioptres, et alignés sur l'axe optique.</li> |
|||
<li>3 indices de réfraction n1, n2, n3, associés au milieu de la lumière incidente (n1), au milieu constitutif de la lentille (n2), au milieu de la lumière émergente (n3).</li></ul> |
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|||
#### Soumis à une double loi de Snell-Descartes (réfraction) |
|||
<!--iframe id="Re_DSC" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/nxscu67n" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.5);"></iframe--> |
|||
<br> <br> |
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#### Classification des différents types de lentilles |
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|||
#### Conditions de Gauss pour stigmatisme approché |
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<img src="../images/Lentille_epaisse_principe_ok.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
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<img src="../images/Lentille_epaisse_principe_ok.png" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
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<img src="../images/Lentille_epaisse_principe_transpar_ok.png" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
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<img src="../images/Lentille_epaisse_Gauss_incl_v2.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
|||
<img src="../images/Lentille_relle_representation_v1.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> <br> |
|||
<!--img src="../images/lentille_plan_convexe_pos1.png" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<img src="../images/lentille_plan_convexe_pos2.png" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> <br--> |
|||
<iframe id="Co_LC" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/zqwazusz" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.62);"></iframe> |
|||
<br> <br> |
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|||
<iframe id="Fa_LC" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/wkrw5qgm" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.70);"></iframe> |
|||
<br> <br> |
|||
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|||
<iframe id="Gt_LC" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/qgecmmff" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.47);"></iframe> |
|||
<br> <br> |
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|||
#### Lentille mince convergente |
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Utilisé dans les conditions de Gauss, la lentille mince présente une stigmatisme approchée. |
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<iframe id="Co_LC_M3P2" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/xwbwedft" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.56);"></iframe> |
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<br> <br> |
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#### Lentille mince convergente : objet réel entre ∞ et F |
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<img src="../images/Const_lens_conv_point_AavantF.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> <br> |
|||
#### Lentille mince convergente : objet réel entre F et O |
|||
<img src="../images/Const_lens_conv_point_AentreFO.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> <br> |
|||
#### Lentille mince convergente : objet virtuel |
|||
<img src="../images/Const_lens_conv_point_AapresO.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> <br> |
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## Les instruments optiques |
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### Fonctions de base |
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#### L'objectif |
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##### Pour quoi faire ? |
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Faire d'un objet physique une image dans un plan |
|||
L'objectif est une fonction. Il peut être réalisé avec une seule lentille convergente, ou être un système optique centré. |
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<img src="../images/Objectif_sys_650_400.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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|||
#### L'oculaire |
|||
##### Pour quoi faire ? |
|||
Faire d'un objet dans un plan une image à l'infini, pour pouvoir l'observer à l'oeil sans fatigue. |
|||
L'oculaire est une fonction. Il peut être réalisé avec une seule lentille convergente, ou être un système optique centré. |
|||
|
|||
##### Objectif + oculaire = ? |
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Ils vont ensemble, objectif plus proche de l'objet physique et oculaire plus proche de l'oeil, dans tout instrument d'optique destiné à une utilisation à l'oeil nu. |
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### Les réflecteurs |
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Ils réfléchissent la lumière, en vue de réaliser une fonction. Ils sont donc constitués avec un ou des miroirs. |
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#### Le rétroviseur |
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#### Le catadioptre |
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### Les projecteurs |
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### Le collimateur |
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### Le projecteur de cinéma |
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### Le phare |
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### Les objectifs |
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### L'objectif d'un appareil photo |
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### Le téléobjectif |
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### L'objectif macro |
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### Le microscope |
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#### Un microscope optique d'étude |
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##### Pour quoi faire ? |
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<strong>Voir mieux</strong> un <ins>objet minuscule et proche</ins>. |
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Voir mieux signifie : |
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##### Il est constitué |
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<ul class="list"> |
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<li><ins>M</ins> : 1 oculaire amovible, de distance focale $f_{ocu}$.</li> |
|||
<li><ins>N</ins> : molette pour faire varier la distance de l'échantillon à l'objectif..</li> |
|||
<li><ins>P</ins> : 3 objectifs sur un plateau tournant, chacun avec son grandissement $\gamma_{obj}$</li> |
|||
<li><ins>Q</ins> : 1 platine porte-échantillon : percée d'un trou au niveau de l'axe optique.</li> |
|||
<li><ins>R</ins> : 1 échantillon placer entre 2 lames de verre posées sur la platine.</li> |
|||
<li><ins>S</ins> : 1 miroir pour focaliser une lumière extérieure sur l'échantillon.</li> |
|||
</ul> |
|||
<img src="../images/Opt_Geo_microscope_view.jpg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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##### Il est caractérisé |
|||
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|||
Par sa <strong>puissance</strong> |
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<ul class="list"> |
|||
<li>de définition <strong>$P={\large\frac{\alpha'}{AB}}$</strong> en <strong>dioptrie ($\delta = rad\,.\,m^{-1}$)</strong><br> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<br> |
|||
<li><strong>$\alpha'$</strong> : <ins>angle d'observation à travers le microscope, image à l'infini</ins> , exprimé <strong>en radian (rad)</strong></li> |
|||
<li><strong>$AB$</strong> : <ins>taille de l'échantillon</ins>, exprimée <strong>en mètre (m)</strong></li> |
|||
</ul><br> |
|||
<li>d'expression<strong> $P={\large \frac{\gamma_{obj}}{f'_{ocu}}}$</strong></li></ul> |
|||
<br> |
|||
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|||
Par son <strong>grossissement commercial intrinsèque</strong> |
|||
<ul class="list"> |
|||
|
|||
<li>de définition <strong>$G={\large\frac{\alpha'}{\alpha}}$</strong><br> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<br> |
|||
<li><strong>$\alpha'$</strong> : <ins>angle d'observation à travers le microscope</ins>, <strong>image à l'infini </strong>("terme "<strong>intrinsèque</strong>")</li> |
|||
<li><strong>$\alpha$</strong> : <ins>angle d'observation à l'oeil nu</ins>, <strong>échantillon au punctum proximum $PP$ d'un oeil normal </strong>("terme "<strong>commercial</strong>").<br>note : un oeil normal a son $PP$ à la distance $d_{PP}=25 cm$ de lui-même : distance minimale de vision monoculaire distincte.</li><br> |
|||
</ul> |
|||
<br> |
|||
<li> d'expression <strong>$G=\gamma_{obj}\cdot\frac{d_{PP}}{f'_{ocu}}$</strong><br> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<br> |
|||
<li>avec $f_{ocu}$ et $d_{PP}$ exprimés dans la même unité.</li> |
|||
<li>si $d_{PP}$</strong> est exprimée en mètre (m) et la puissance $P$ en dioptrie ($\delta$), alors <ins>$d_{PP}=0.25m=\frac{1}{4}m \Rightarrow $</ins><strong> $G={\large\frac{P}{4}}$</strong></li> |
|||
</ul> </ul> |
|||
|
|||
<br> <br> |
|||
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|||
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|||
#### Schéma optique du microscope |
|||
##### une modélisation simple |
|||
Un <strong>système centré</strong> "objectif"+"oculaire" : |
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<ul class="list> |
|||
<li><strong>objectif</strong> : <ins>1 lentille mince convergente</ins> centrée en $O_1$ de point focal image $F'_1$</li> |
|||
<li><strong>oculaire</strong> : <ins>1 lentille mince convergente</ins> centrée en $O_2$ de point focal objet $F_2$</li> |
|||
<li><strong>objet</strong> BAC (échantillon) <ins>centré sur axe optique</ins> en A.</li> |
|||
</ul> |
|||
|
|||
##### construire la marche des rayons |
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<p class="exemple">figure : comprendre et savoir refaire les différentes étapes jusqu'à la détermination du cercle oculaire |
|||
Etapes de la construction : |
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<ul class="list"> |
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<li><strong>1 </strong>- <strong>objet</strong> BAC (échantillon) <ins>centré sur axe optique</ins> en A.</li> |
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|
|||
<li><strong>2</strong> - Tracer 2 rayons connus issus du points $B$ ($C$), pour trouver son image $B_1$ ($C_1$) par l'objectif. Pour cela tracer : |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>rayon issu de $B$ parallèle à l'axe optique, qui après traversée de l'objectif passe par son point focal image.</li> |
|||
<li>rayon issu de $B$ qui traverse l'objectif en son centre $O_1$ donc qui n'est pas dévié.</li></ul> |
|||
Après traversée de l'objectif, ces 2 rayons se croisent au point image $B_1$ ($C_1$. Pour une utilisation normale du microscope, ce point image $B_1$ ($C_1$) est situé dans le plan focal objet de l'oculaire.</li> |
|||
<li><strong>3</strong> - Le point $B_1$ ($C_1$) étant dans le plan focal objet de l'oculaire, tout rayon passant par $B_1$ ($C_1$) ressort après traversée de l'oculaire avant un même angle d'émergence. Pour connaître cette direction d'émergence, tracer en pointillé le rayon virtuel passant par $B_1$ ($C_1$) et par le centre $O_2$ de l'oculaire. Comme ce rayon n'est pas dévié à la traversée de l'oculaire, il indique la direction d'émergence de l'oculaire de tout rayons passant par $B_1$ ($C_1$). Prolonger les deux rayons se croisant en $B_1$ ($C_1$) jusqu'à l'oculaire, puis pour chacun d'eux, tracer le rayon émergeant de l'oculaire. Ces deux rayons émergent son parallèle, pour former une image finale à l'infini apte à être vue par un oeil normal au repos.</li> |
|||
|
|||
<li><strong>4</strong> - à terminer</li> |
|||
<li><strong>5</strong> - à terminer</li> |
|||
<li><strong>6</strong> - à terminer</li> |
|||
<li><strong>7</strong> - à terminer</li> |
|||
<li><strong>8</strong> - à terminer</li> |
|||
</ul> |
|||
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<iframe id="ins_mic_M3P2_1" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/zwqkuz72" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.2);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/microscope_construction.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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#### Vision directe ou enregistrement image |
|||
<p class=exemple>Réglage du microscope (variation de la distance AO1 de l'objet BAC au corps du microscope avec la molette N) pour amener une image finale à l'infini pour une observation à l'oeil nu, ou dans un plan. Le corps du microscope est constitué de l'objectif et de l'oculaire, de distance O1O2 fixe. |
|||
<iframe id="ins_mic_M3P2_2" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/suujxhct" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.2);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/microscope_vision_infinie.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
|||
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|||
#### Vision directe : cercle oculaire |
|||
<p class=exemple>Pour avoir le champ de vue le plus étendue possible de l'échantillon observé, placer l'oeil sur le cercle oculaire (pupille de sortie du microscope). |
|||
<iframe id="ins_mic_M3P2_3" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/se2vnb4f" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.2);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/microscope_cercle_oculaire.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
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|||
#### Puissance du microscope |
|||
<p class="exemple">Comprendre et savoir retrouver l'expression de la puissance du microscope $P={\large \frac{\gamma_{obj}}{f_{ocu}}}$. |
|||
|
|||
<ins>Définition puissance</ins> : <strong>$P={\large\frac{\alpha'}{AB}}$</strong> |
|||
<ul class="list"> |
|||
<li>grandissement objectif : $\gamma_{obj}=\frac{A_1B_1}{AB}$</li> |
|||
<li>microscope réglé à l'infini : $\Rightarrow \alpha' = arctan(\frac{A_1B_1}{O_2F'_2})$</li> |
|||
<li>$arctg(\frac{A_1B_1}{O_2F'2})=arctg(\frac{A_1B_1}{AB}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2})$<br> |
|||
$$=arctan(\gamma_{obj}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2})$$</li> |
|||
<br> |
|||
<li><ins>conditions de Gauss réalisées</ins> :<br> |
|||
$$\Rightarrow arctan(\gamma_{obj}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2})\simeq\gamma_{obj}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2}$$</li> |
|||
<li>$P={\large\frac{\alpha'}{AB}}\simeq{\large\frac{\gamma_{obj}}{O_2F'2}}={\large\frac{\gamma_{obj}}{f'_{obj}}}$</li> |
|||
<br> |
|||
<li><ins>On pose</ins> : <strong>$P_{mic}={\large\frac{\gamma_{obj}}{O_2F'_2}}={\large\frac{\gamma_{obj}}{f'_{obj}}}$</strong></li> |
|||
</ul><br><br> |
|||
<iframe id="ins_mic_M3P2_4" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/d4u3qakv" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.05);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/microscope_caract_alpha.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
|||
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|||
#### Grossissement commercial intrinsèque |
|||
<br> |
|||
<br> |
|||
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|||
### La lunette astronomique |
|||
#### Schéma optique de la lunette astronomique |
|||
<iframe id="ins_lun_M3P2_1" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/kact2epr" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.2);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/lunette_astro_construction.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
|||
#### Vision directe ou enregistrement image |
|||
<iframe id="ins_lun_M3P2_2" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/suujxhct" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,1.02);"></iframe> |
|||
<br> |
|||
<img src="../images/microscope_vision_infinie.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
|||
<br> |
|||
#### Vision directe : cercle oculaire |
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<iframe id="ins_lun_M3P2_3" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/g82uhj7g" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.54);"></iframe> |
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<br> |
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<img src="../images/lunette_astro_cercle_oculaire.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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#### Grossissement de la lunette |
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<iframe id="ins_lun_M3P2_4" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/g33qqs72" height="auto" onload="adjust_ggb(this.id,0.54);"></iframe> |
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<br> |
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<img src="../images/lunette_astro_grossissement.gif" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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${\LARGE \alpha} = arctan \left( \frac{A_1B_1}{O_2F'_2}\right)$ |
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$\hspace{1.2cm}=arctan \left( \frac{A_1B_1}{AB}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2}\right)$ |
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$\hspace{1.2cm}=arctan \left( {\LARGE \gamma}_{obj}\cdot\frac{AB}{O_2F'_2}\right)$ |
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<br> <br> <br> <br> <br> <br> <br> <br> <br> |
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Le point O et les deux points A et B, ou deux droites (OA) et (OB) séquentes en O définissent un plan.<br><br> |
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Considérons le repère cylindrique $ (0,\overRightarrow{e_r },\overRightarrow{e_\theta}, \overRightarrow{e_z})$ de vecteur $ \overRightarrow{e_z}$ perpendiculaire à ce plan. <br><br> |
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Le calcul pratique de l'angle $\theta$ entre les les deux droites (OA) et (OB) s’écrit |
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$$ \theta = \int_{}^{}d\theta = \int_{\Gamma}^{} \frac {\overRightarrow{e_\theta}. \overRightarrow{d\Gamma}} {OM}= \int_{\Gamma}^{} \frac {\overRightarrow{e_\theta}. \overRightarrow{d\Gamma}} {r} $$<br> |
|||
$$ \theta = \int_{}^{}d\theta = \int_{\Gamma}^{} \frac {\overRightarrow{e_\theta}. \overRightarrow{d\Gamma}} {OM}= \int_{\Gamma}^{} \frac {\overRightarrow{e_\theta}. \overRightarrow{d\Gamma}} {r} $$ |
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où $\Gamma$ est une ligne quelconque d’extrémités A et B. |
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Le sens des $\overRightarrow{d\Gamma}$ qui correspond au sens de parcours choisi sur la ligne $\Gamma$ détermine le signe positif ou négatif de l'angle.<br><br> |
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Cette expression donne donc la valeur algébrique de l’angle : un angle de valeur négative correspondant au parcours de la ligne selon le sens trigonométrique inverse (sens inverse des aiguilles d'une montre) par rapport au point O. <br><br> |
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La valeur de l'angle peut-être non algébrique en prenant la valeur absolue de l'angle. |
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Le rayon lumineux qui traverse la lentille épaisse, traverse donc successivement deux dioptres. Que la surface de la lentille soit courbe ou non, c'est une surface continue et donc le rayon lumineux incident (ligne idéale de section nulle) voit localement une surface plane qu'il atteint avec un certain angle d'incidence. Localement, cette surface plane est une partie infinitésimale du plan tangent à la surface de la lentille au point d'impact. La déviation du rayon lumineux obéit donc à la loi de Snell-Descartes :<br> |
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$$ n_1 \cdot \sin (\theta_1) = n_2 \cdot \sin (\theta_2) $$ |
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vv5quasp |
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### La source de lumière, le rayon lumineux et sa propagation |
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Si je vois un objet, c'est que de la lumière parcourt une certaine trajectoire entre cet objet et mon oeil. Même si je n'ai pas conscience de cette progression parce que sa vitesse est trop grande pour être perçue, la lumière se propage dans l'espace depuis l'objet jusqu'à mon oeil. Ainsi j'oriente la trajectoire parcourue par la lumière dans le sens de sa propagation. |
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J'appelle <strong> rayon lumineux</strong> toute trajectoire orientée par une flèche parcourue par la lumière entre le point objet qui émet la lumière et |
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L'objet que je vois est en général étendu, et donc dans une direction particulière de l'espace, je vois une infime partie de l'objet. Je peux décomposer cet <strong>objet visible</strong> en un <em>ensemble continue de points émetteur</em>. Ainsi chaque <strong>point émetteur</strong> <em>émet donc de la lumière</em>, c'est à dire q'<em>un ensemble de rayons lumineux partent du point émetteur</em>. |
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<ul class="exemple"> |
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<li>J'appelle <strong>point objet émetteur</strong> ou <strong>source ponctuelle primaire de lumière</strong> , un <em>point émetteur qui créé sa propre lumière</em>. Même dans l'obscurité ambiante, un objet émetteur sera vu.</li> |
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<li>J'appelle <strong>point objet diffuseur</strong>, un <em>point objet qui diffuse dans toutes les directions de l'espace, la lumière qu'il reçoit d'une source éclairante </em>(soleil, lampe,...).</li> |
|||
<li>J'appelle <strong>point objet réflecteur</strong> un point objet qui, <em>pour chaque rayon lumineux incident qu'il reçoit, re-émet ce rayon lumineux dans une direction particulière suivant la loi de la réflection</em>.>/li> |
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</ul> |
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J'appelle <strong>rayon lumineux</strong> une trajectoire réalisé par la lumière entre l'objet vu e |
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Emis par le point objet, |
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### Le principe de Fermat |
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## L'oeil humain |
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## La relation objet / système optique / image |
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# Optique ondulatoire |
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</div> |
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<div id="N3_ES_F" style="width:auto; height:auto; padding:0px;"> |
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###### Nivel "PADAWAN" |
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##Función de varias variables escalares : curso |
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</div> |
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<div id="N3_NO_F" style="width:auto; height:auto; padding:0px;"> |
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###### Nivå "PADAWAN" |
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##Funksjon av flere skalarvariabler : kurs |
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</div> |
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<div id="N3_EN_F" style="width:auto; height:auto; padding:0px;"> |
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######Level "PADAWAN" |
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# The nature of the ligth |
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## The undulatory nature of light |
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## The corpuscular nature of light |
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## The electromagnetic spectrum |
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## Basis of Geometrical Optics |
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### Objects, raylight and its propagation |
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If I see with my eyes a body located somewhere in the space around me, it is because some light rays quit the surface of the body (or its volume if the body is translucent), follow some trajectories to finally enter into my eyes. Even if i |
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If I detail a little more what is happening, I have to say that |
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When I see an extended body, with details of its structure, it is because each elementary surface |
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A <strong>physical object</strong> is an object that <em>emits light rays in all directions</em>, and so that can be viewed. |
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### The sources of light, raylight and its propagation |
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Si je vois un corps (objet ou être) localisé dans l'espace, c'est que de la lumière part de la surface de ce corps (ou de son volume si le corps est translucide), parcourt une certaine trajectoire pour finalement parvenir mon oeil. Même si je n'ai pas conscience de cette progression parce que sa vitesse est trop grande pour être perçue, la lumière se propage dans l'espace depuis l'objet jusqu'à mon oeil. Ainsi j'oriente la trajectoire parcourue par la lumière dans le sens de sa propagation. Ainsi :<br> |
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J'appelle <strong> rayon lumineux</strong> toute trajectoire, orientée par une flèche, parcourue par la lumière depuis le point objet qui émet la lumière jusqu'à sa capture par mon oeil ou toute surface opaque. |
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L'objet physique que je vois est en général étendu, et donc dans une direction particulière de l'espace, je vois une infime partie de cet objet. Je peux décomposer cet <strong>objet visible</strong> en un <em>ensemble continue de surfaces élémentaires perçues à la limite de résolution de mon oeil</em>, que je peux donc considérer comme autant de <em>"points émetteur"</em>. |
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Si je me déplace par rapport à cet objet tout en le gardant dans mon champ de vision, je continue à voir cet objet. Cela signifie donc que <em>de chaque surface élémentaire de l'objet émergent des rayons lumineux dans toutes les directions du demi-espace libre situé devant elle</em>, de façon que quelque soit ma position, un des rayons issus de cette surface atteigne mon oeil. |
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Cette lumière émerge de chaque surface élémentaire, |
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<ul class="texte"><li>soit parce que <em>la matière au voisinage de cette surface créé elle-même en son sein la lumière</em>, la surface est alors <strong>source de lumière</strong>.</li> |
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<li> soit parce que cette surface, éclairé par le soleil ou une source de lumière, rediffuse cette lumière incidente dans tout le demi-espace ilbre |
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Je dis dans ce cas que toute surface élémentaire de l'objet <strong |
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Ainsi chaque <strong></strong> <em>émet donc de la lumière</em>, c'est à dire q'<em>un ensemble de rayons lumineux partent du point émetteur</em>. |
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<ul class="exemple"> |
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<li>J'appelle <strong>point objet émetteur</strong> ou <strong>source ponctuelle primaire de lumière</strong> , un <em>point émetteur qui créé sa propre lumière</em>. Même dans l'obscurité ambiante, un objet émetteur sera vu.</li> |
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<li>J'appelle <strong>point objet diffuseur</strong>, un <em>point objet qui diffuse dans toutes les directions de l'espace, la lumière qu'il reçoit d'une source éclairante </em>(soleil, lampe,...).</li> |
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<li>J'appelle <strong>point objet réflecteur</strong> un point objet qui, <em>pour chaque rayon lumineux incident qu'il reçoit, re-émet ce rayon lumineux dans une direction particulière suivant la loi de la réflection</em>.>/li> |
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</ul> |
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J'appelle <strong>rayon lumineux</strong> une trajectoire réalisé par la lumière entre l'objet vu e |
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Emis par le point objet, |
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### Le principe de Fermat |
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## L'oeil humain |
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## La relation objet / système optique / image |
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</div> |
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@ -1 +0,0 @@ |
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visible: false |
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@ -1,29 +0,0 @@ |
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title: Annexe |
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slug: annexe |
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## Annexe |
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!!!! DUMMY CONTENT |
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### Tests |
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La [Constante $c$](#une-constante-fondamentale-de-la-nature-la-vitesse-de-la-lumière). |
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### Unrelated image |
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### Unrelated video |
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<iframe width="560" height="315" sandbox="allow-same-origin allow-scripts" src="https://video.samedi.pm/videos/embed/c06dbd9e-d8c7-4655-aade-51ae95b998c3" frameborder="0" allowfullscreen></iframe> |
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Morbi suscipit enim tristique hendrerit commodo. Pellentesque quis pulvinar urna. Nulla vel hendrerit neque. Maecenas bibendum sem eget tellus auctor, ac vestibulum ante iaculis. Aenean placerat, nulla vehicula vestibulum suscipit, lacus urna pharetra est, eget pellentesque purus est non tortor. Aenean ac consequat lectus. Praesent varius lacus eu semper tristique. Proin vehicula, velit eu maximus commodo, felis ipsum viverra ex, placerat volutpat risus sem et turpis. Duis faucibus ut eros in facilisis. Duis nulla nisi, interdum quis ornare a, pulvinar ac eros. Aenean non rutrum ante. Suspendisse dui enim, auctor eget enim porttitor, pellentesque pellentesque dolor. Nullam laoreet odio quam, eu laoreet augue venenatis vitae. In nec quam et diam commodo sagittis eget et tellus. Quisque odio sapien, pretium et quam eget, dignissim hendrerit purus. Sed eros sem, semper sit amet tincidunt a, malesuada eget odio. |
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Nulla urna tortor, faucibus at euismod quis, interdum at risus. Pellentesque scelerisque eget mauris eget rhoncus. Curabitur sed nisi auctor mauris posuere ornare porta a turpis. Etiam dignissim elementum nisi, a dapibus ipsum sagittis non. Quisque dapibus mauris dui, id consequat dolor consectetur dapibus. Sed ornare tristique pellentesque. Ut aliquam bibendum massa quis pretium. Suspendisse blandit lectus nec ligula ultrices congue. Maecenas eros mauris, lobortis a orci vitae, tempus venenatis tortor. Aliquam sit amet felis non lacus pulvinar facilisis. Donec tellus orci, facilisis vel urna et, fermentum molestie lectus. Praesent congue iaculis tempor. Vestibulum in leo efficitur, faucibus enim ac, mattis sapien. Fusce non pretium neque, quis aliquet neque. Aenean arcu ante, ornare et malesuada nec, aliquam sit amet ligula. Donec sapien metus, sagittis quis placerat at, tempus vel quam. |
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Phasellus eget est vestibulum, aliquam massa et, placerat urna. Integer at magna luctus, venenatis felis quis, ornare risus. Nunc nunc ipsum, cursus nec metus sed, ullamcorper placerat ipsum. Suspendisse aliquet elit in erat blandit, sed congue neque sodales. Sed gravida blandit odio, nec ultrices enim faucibus non. Fusce quis ornare lectus. Maecenas nec sem vitae massa sagittis sodales. Suspendisse eget dictum justo. Etiam dapibus pharetra convallis. Fusce quis semper nisi. Morbi scelerisque efficitur leo a tempor. Sed eget facilisis tortor, vel fringilla ex. Curabitur commodo felis tellus, ac faucibus velit feugiat non. Mauris malesuada quis orci vel lacinia. Nulla accumsan arcu eget nibh convallis blandit. |
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@ -1,7 +0,0 @@ |
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visible: false |
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pedagogic_paths: |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: "The Nature of Light" |
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slug: the-nature-of-light |
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@ -1,37 +0,0 @@ |
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title: 'Domaine de validité de l''optique géométrique' |
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media_order: 'chrono_text_opt_geo_fr_v2.jpeg,sciences_optique_rays_fr.jpeg,chrono_opt_geo_fr_v2.jpeg,chrono-opt-geo-fr-v2.jpeg,Opt_geom_1.jpg,OG_intro.mp3,OG_intro.ogg' |
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slug: la-nature-de-la-lumiere |
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##Optique géométrique :<br> optique de la vie de tous les jours. |
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[OG_intro.mp3] |
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[OG_intro.ogg] |
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Permet de comprendre : |
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* La vision |
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* Les appareils d'optiques : <br><em>loupes, télescopes, lunettes astronomiques ou terrestres, microscopes, appareils photographiques avec téléobjectifs et zoom</em>. |
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* Les lunettes de vue et les lentilles de contact </em>pour corriger les défauts de la vue. |
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* Les phénomènes optiques comme <br> <em>le brouillard, les arcs-en-ciel, les mirages</em>. |
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* Le fonctionnement d'une <em>fibre optique</em>. |
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<!--text de l'audio : |
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Si l'optique géométrique est la science la plus ancienne de l'optique, c'est vraiment celle qui s'applique au plus proche de notre vie de tous les jours. |
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Elle permet de comprendre comme l'oeil perçoit son environnement. Elle permet aussi de comprendre comment fonctionnent les appareils optiques usuels, tels que l'appareil photo avec son zoom ou ses divers objectifs, le microscope, le télescope et les lunettes astronomiques ou terrestres. |
|||
Elle permet aussi de caractériser les défauts de l'oeil, de comprendre comment les lunettes de vue et les lentilles de contact corrigent ces défauts, et de calculer leurs profils selon les défauts à corriger. |
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Elle permet de comprendre les phénomènes optiques comme l'arc en ciel (aussi bien ses couleurs que sa forme et sa position par rapport au soleil) et comme les mirages observés parfois dans le désert. |
|||
Elle permet enfin de comprendre comment la lumière peut se propager dans une fibre optique, qui est à la base de tous les réseaux de communications terrestres modernes.--> |
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##Optique géométrique : <br> une brève chronologie |
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<img src="../images/chrono_opt_geo_fr_v2.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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<br> <br> |
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<img src="../images/chrono_text_opt_geo_fr_v2.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" style="width:100%"; > |
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##Optique géométrique : <br> position dans les sciences de l'optique |
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<img src="../images/sciences_optique_rays_fr.jpeg" alt="Logo_Yo_yTU" class="center" style="width:100%"; > |
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@ -1,6 +0,0 @@ |
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# This page configuration is shared by all locales, in this directory. |
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# You can override it in the individual frontmatter of the pages. |
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content: |
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# https://learn.getgrav.org/15/content/collections#summary-of-collection-options |
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items: @self.children |
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Before Width: 600 | Height: 594 | Size: 72 KiB |
@ -1,45 +0,0 @@ |
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title: Physical Objects as Source of Light |
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slug: sources-of-light-physical-ojects |
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### Physical Objects as Source of Light |
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!!! TODO: TRANSLATE |
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!!! |
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!!! We can also make bigger notices, |
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!!! and they can be multiline ! |
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Parmi les cinq sens de l'être humain (vue, ouïe, odorat, goût, toucher), |
|||
**la vue** est le _sens le plus développé_, |
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ce qui signifie que c'est le sens _qui nous donne le plus d'informations_ sur notre environnement. |
|||
Notre vision nous permet de localiser et de reconnaître des objets solides ou des étendues liquides |
|||
qui peuvent nous être utiles ou représenter un danger, des objets que nous voulons attraper ou bien éviter. |
|||
La vue nous permet de percevoir la présence et d'identifier ces objets à distance, |
|||
sans contact physique comme avec notre sens du toucher ou celui du goût. |
|||
Le **vecteur de l'information visuelle** sur la localisation, la nature et la forme de l'objet est |
|||
_la lumière émise ou diffusée par l'objet_ et qui atteint notre oeil. |
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<!-- à mettre en /M--> |
|||
- Deux autres de nos sens, l'ouïe et l'odorat, nous apportent aussi chacun une information à distance et sans contact, complémentaire de celle apportée par la vue. Le vecteur de l'information pour l'ouïe est le son produit par l'objet lui-même ou son déplacement, et pour l'odorat ce vecteur est le déplacement entre l'objet et nous des diverses molécules chimiques émises par l'objet et auxquelles notre odorat est sensible. D'autres espèces animales ont développé d'autres sens. Par exemple : |
|||
- dauphins et chauve-souris ont développé l'écholocalisation. En émettant des ultrasons qui seront réfléchis, et en percevant la direction et le retard temporelle de l'onde réfléchie en retour, ils arrivent à localiser et identifier les objets qui font obstacle à la libre propagation des ultra-sons. |
|||
- requins et raies ont développé au cours de l'évolution un sens qui les rends très sensible aux champs électriques créés par l'activité biologique (principalement les muscles) des autres espèces animales. |
|||
- La sensibilité au champ magnétique terrestre, qui en chaque endroit pointe dans une direction précise suivant les lignes de champ magnétique, contribue à l'orientation de nombreux oiseaux migrateurs au cours de leur longs voyages saisonniers. |
|||
Ce sont les contraintes environnementales locales, les types de ressources nutritives nécessaires et les relations entre proies et prédateurs, qui ont déterminés quels sens ont été les plus aptes pour chaque espèce à assurer sa propre survie. Ainsi les abeilles ont acquis en sens de l'odorat hyper développé pour localiser le nectar des fleurs nécessaire à la survie de la ruche. Les chauve-souris qui se déplacent la nuit et peuplent souvent des grottes ont développé particulièrement l'écholocalisation piur se situer dans leur environnement, là ou le hibou a développé un sens de la vue particulièrement sensible en faible luminosité. Les divers sens agissent de façon complémentaires pour apporter à chaque espèce toute l'information nécessaire à sa survie. La vue est sans conteste, bien que suivie de prêt par l'ouïe, le sens le plus important pour l'être humain. Sa faculté visuelle ... science et vie de juillet...</ul> |
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#### Sources primaires de lumière |
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Toute matière émet de la lumière, principalement en fonction de sa température selon la loi du corps noir. Cependant ce type de rayonnement thermique propre à chaque objet n'émet dans le visible que pour des températures de plusieurs centaines de degrés au minimum. Notre oeil est sensible à la lumière émise par ces objets très chauds émettant ce type de rayonnement, ce sont les anciennes ampoules électriques à incandescence, c'est le morceau de métal porté à plus de 800°C qui devient rougissant, et c'est bien sûr et surtout le soleil dont la température de surface est proche de $5800K$. Chaque élément de surface de ces objets très chauds émet une lumière visible dans toutes les directions du demi-espace libre situé devant lui. |
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<!-- à mettre en /F ou/et /M--> |
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- Le domaine de sensibilité de la vision humaine correspond aux ondes électromagnétiques de longueurs d'onde $\lambda\in[400nm, 780nm]$, soit une longueur d'onde moyenne de $\lambda_{moy}=500\mu m$. En vertu de la loi de Wien, le soleil dont la température de surface est de 6000 degrés Kelvin ($6000K$), le soleil émet avec un maximum d'intensité à la longueur d'onde de $\lambda=500nm$, longueur d'onde à laquelle l'atmosphère terrestre est également transparente, permettant à cette lumière de parvenir jusqu'au sol. Tout ceci n'est sûrement pas étranger au fait que au cours de l'évolution, l'oeil biologique se soit principalement adapté pour être sensible à cette gamme de longueurs d'onde que l'on nomme le domaine visible. Le domaine visible est défini par rapport au domaine de sensibilité de l'oeil humain, soit $\lambda\in[400nm, 780nm]$. Le domaine de sensibilité des diverses espèces animales peuvent varier légèrement, parfois en s'étendant au tout proche ultraviolet, parfois au tout proche infrarouge. Mais dans la vie en générale, la vision reste centrée sur le domaine $\lambda\in[250nm, 1000nm]$, qui correspond au domaine de maximum d'intensité de la lumière solaire, et à un domaine de transparence de l'atmosphère terrestre. |
|||
- Si le soleil avait été ce qui est appelé une naine rouge, c'est à dire une étoile dont la température de surface est plus froide, de l'ordre de 3000 degrés Kelvin ($3000K$), selon la loi de Wien le maximum d'émission de l'étoiles se réaliserait à une longueur d'onde moyenne double, soit $\lambda_{moy}=1\mu m$. Notre oeil étant peu sensible à cette longueur d'onde, nous apparaitraient le soleil d'un rouge bien pâle et le jour bien sombre.</li><br> |
|||
- Mon propre corps est à la température de 37°C, soit environ 300 degrés Kelvin ($300K$), soit 10 fois moins que la température de surface de l'étoile naine rouge précédente. Comme toue matière (assemblage de particules chargées liées entre elles et en mouvement) je rayonne, mais avec un maximum d'intensité situé à une longueur d'onde 10 fois plus grandes, au voisinage de $\lambda_{moy}=10\mu m$. Les lunettes permettant de me voir la nuit grâce à ma propre émission thermique utilisent soit des amplificateurs de lumières visibles (mais il faut qu'il reste un peu de lumière visible que ma peau et mes vêtements puissent diffuser), soit des capteurs de rayonnement sensibles à la longueur d'onde moyenne de $\lambda_{moy}=10\mu m$. |
|||
- Je descends encore la température de la matière d'un facteur 10, et j'obtiens une température de 30 degrés Kelvin ($30K$). le rayonnement thermique d'un corps à cette température présente un maximum d'intensité à la longueur d'onde de $\lambda_{moy}=100\mu m$. La température de ($30K$) , exprimée en degré celsius, correspond à une température d'environ $-240°C$. Aucune température naturelle aussi basse n'est observée sur la Terre, dont la température moyenne (résultant de l'équilibre entre la lumière visible solaire absorbée par l'atmosphère, la terre et les océans, et la lumière infrarouge rayonnée par la Terre dans l'espace) se situe vers $+18°C$. qu'observerais-je si mes yeux n'étaient sensibles qu'aux longueurs d'onde proches de $\lambda_{moy}=100\mu m$ et si l'atmosphère n'était pas opaque à ces longueurs d'onde? Il existe une composante de matière, répandue dans tout l'espace, entre les étoiles. Appelée poussière interstellaire, cette composante est constitué de grains (mélanges solides de silicates, de matière carbonée et de glaces diverses) de tailles nanométriques (de l'ordre de 20 à 100 $\mu m$). Distribuée entre les étoiles, le ciel ne m'apparaitrait pas obscure, ponctué seulement par les étoiles et les planètes, mais sous la forme de vastes étendues lumineuses, comme des nuages, en directions des zones denses en poussières. |
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- De 30 degrés Kelvin ($30K$) à 3 degrés Kelvin ($3K$), la température chute encore d'un facteur 10, en de la matière en équilibre thermique à cette température émet son rayonnement à une longueur d'onde 10 fois plus grande, autour de $\lambda_{moy}=1\,mm$. Qu'observe-t-on de l'univers dans ce domaine de longueur d'onde? L'univers rayonne de façon dans toutes les direction et de façon très homogène comme un corps noir parfait à la température de ... $T=2.728\pm0.004\,K$. Ce rayonnement de corps noir quasi-parfait, appelé rayonnement cosmologique ou fond diffus cosmologique, est l'une des preuves très convaincantes du modèle du Big Bang. |
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D'autres types de sources de lumière visible émettent un spectre de raies plus ou moins larges. L'énergie de chaque photon émis correspond à la différence d'énergie entre un état de plus haute énergie et un état de plus basse énergie, entre lesquelles l'atome ou la molécule transite. |
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#### Sources secondaires de lumière : objets diffusants |
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! TODO |
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title: Objeto físico, fuente de luz |
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slug: objeto-fisico-fuente-de-luz |
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### Objeto físico, fuente de luz |
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!!! ¡ Ola ! |
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Parmi les cinq sens de l'être humain (vue, ouïe, odorat, goût, toucher), |
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**la vue** est le _sens le plus développé_, |
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ce qui signifie que c'est le sens _qui nous donne le plus d'informations_ sur notre environnement. |
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Notre vision nous permet de localiser et de reconnaître des objets solides ou des étendues liquides |
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qui peuvent nous être utiles ou représenter un danger, des objets que nous voulons attraper ou bien éviter. |
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La vue nous permet de percevoir la présence et d'identifier ces objets à distance, |
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sans contact physique comme avec notre sens du toucher ou celui du goût. |
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Le **vecteur de l'information visuelle** sur la localisation, la nature et la forme de l'objet est |
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_la lumière émise ou diffusée par l'objet_ et qui atteint notre oeil. |
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<!-- à mettre en /M--> |
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- Deux autres de nos sens, l'ouïe et l'odorat, nous apportent aussi chacun une information à distance et sans contact, complémentaire de celle apportée par la vue. Le vecteur de l'information pour l'ouïe est le son produit par l'objet lui-même ou son déplacement, et pour l'odorat ce vecteur est le déplacement entre l'objet et nous des diverses molécules chimiques émises par l'objet et auxquelles notre odorat est sensible. D'autres espèces animales ont développé d'autres sens. Par exemple : |
|||
- dauphins et chauve-souris ont développé l'écholocalisation. En émettant des ultrasons qui seront réfléchis, et en percevant la direction et le retard temporelle de l'onde réfléchie en retour, ils arrivent à localiser et identifier les objets qui font obstacle à la libre propagation des ultra-sons. |
|||
- requins et raies ont développé au cours de l'évolution un sens qui les rends très sensible aux champs électriques créés par l'activité biologique (principalement les muscles) des autres espèces animales. |
|||
- La sensibilité au champ magnétique terrestre, qui en chaque endroit pointe dans une direction précise suivant les lignes de champ magnétique, contribue à l'orientation de nombreux oiseaux migrateurs au cours de leur longs voyages saisonniers. |
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Ce sont les contraintes environnementales locales, les types de ressources nutritives nécessaires et les relations entre proies et prédateurs, qui ont déterminés quels sens ont été les plus aptes pour chaque espèce à assurer sa propre survie. Ainsi les abeilles ont acquis en sens de l'odorat hyper développé pour localiser le nectar des fleurs nécessaire à la survie de la ruche. Les chauve-souris qui se déplacent la nuit et peuplent souvent des grottes ont développé particulièrement l'écholocalisation piur se situer dans leur environnement, là ou le hibou a développé un sens de la vue particulièrement sensible en faible luminosité. Les divers sens agissent de façon complémentaires pour apporter à chaque espèce toute l'information nécessaire à sa survie. La vue est sans conteste, bien que suivie de prêt par l'ouïe, le sens le plus important pour l'être humain. Sa faculté visuelle ... science et vie de juillet...</ul> |
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title: L'objet physique, source de lumière |
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slug: source-de-lumiere-objet-physique |
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### L'objet physique, source de lumière |
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Parmi les cinq sens de l'être humain (vue, ouïe, odorat, goût, toucher), |
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**la vue** est le _sens le plus développé_, |
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ce qui signifie que c'est le sens _qui nous donne le plus d'informations_ sur notre environnement. |
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Notre vision nous permet de localiser et de reconnaître des objets solides ou des étendues liquides |
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qui peuvent nous être utiles ou représenter un danger, des objets que nous voulons attraper ou bien éviter. |
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La vue nous permet de percevoir la présence et d'identifier ces objets à distance, |
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sans contact physique comme avec notre sens du toucher ou celui du goût. |
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Le **vecteur de l'information visuelle** sur la localisation, la nature et la forme de l'objet est |
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_la lumière émise ou diffusée par l'objet_ et qui atteint notre oeil. |
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<!-- à mettre en /M--> |
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- Deux autres de nos sens, l'_ouïe_ et l'_odorat_, nous apportent aussi chacun une information à distance et sans contact, complémentaire de celle apportée par la vue. Le vecteur de l'information pour l'ouïe est le son produit par l'objet lui-même ou son déplacement, et pour l'odorat ce vecteur est le déplacement entre l'objet et nous des diverses molécules chimiques émises par l'objet et auxquelles notre odorat est sensible. D'autres espèces animales ont développé d'autres sens. Par exemple : |
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- dauphins et chauve-souris ont développé l'écholocalisation. En émettant des ultrasons qui seront réfléchis, et en percevant la direction et le retard temporelle de l'onde réfléchie en retour, ils arrivent à localiser et identifier les objets qui font obstacle à la libre propagation des ultra-sons. |
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- requins et raies ont développé au cours de l'évolution un sens qui les rends très sensible aux champs électriques créés par l'activité biologique (principalement les muscles) des autres espèces animales. |
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- La sensibilité au champ magnétique terrestre, qui en chaque endroit pointe dans une direction précise suivant les lignes de champ magnétique, contribue à l'orientation de nombreux oiseaux migrateurs au cours de leur longs voyages saisonniers. |
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Ce sont les contraintes environnementales locales, les types de ressources nutritives nécessaires et les relations entre proies et prédateurs, qui ont déterminés quels sens ont été les plus aptes pour chaque espèce à assurer sa propre survie. Ainsi les abeilles ont acquis en sens de l'odorat hyper développé pour localiser le nectar des fleurs nécessaire à la survie de la ruche. Les chauve-souris qui se déplacent la nuit et peuplent souvent des grottes ont développé particulièrement l'écholocalisation piur se situer dans leur environnement, là ou le hibou a développé un sens de la vue particulièrement sensible en faible luminosité. Les divers sens agissent de façon complémentaires pour apporter à chaque espèce toute l'information nécessaire à sa survie. La vue est sans conteste, bien que suivie de prêt par l'ouïe, le sens le plus important pour l'être humain. Sa faculté visuelle ... science et vie de juillet...</ul> |
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#### Sources primaires de lumière |
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Toute matière émet de la lumière, principalement en fonction de sa température selon la loi du corps noir. Cependant ce type de rayonnement thermique propre à chaque objet n'émet dans le visible que pour des températures de plusieurs centaines de degrés au minimum. Notre oeil est sensible à la lumière émise par ces objets très chauds émettant ce type de rayonnement, ce sont les anciennes ampoules électriques à incandescence, c'est le morceau de métal porté à plus de 800°C qui devient rougissant, et c'est bien sûr et surtout le soleil dont la température de surface est proche de $5800K$. Chaque élément de surface de ces objets très chauds émet une lumière visible dans toutes les directions du demi-espace libre situé devant lui. |
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<!-- à mettre en /F ou/et /M--> |
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- Le domaine de sensibilité de la vision humaine correspond aux ondes électromagnétiques de longueurs d'onde $\lambda\in[400nm, 780nm]$, soit une longueur d'onde moyenne de $\lambda_{moy}=500\mu m$. En vertu de la loi de Wien, le soleil dont la température de surface est de 6000 degrés Kelvin ($6000K$), le soleil émet avec un maximum d'intensité à la longueur d'onde de $\lambda=500nm$, longueur d'onde à laquelle l'atmosphère terrestre est également transparente, permettant à cette lumière de parvenir jusqu'au sol. Tout ceci n'est sûrement pas étranger au fait que au cours de l'évolution, l'oeil biologique se soit principalement adapté pour être sensible à cette gamme de longueurs d'onde que l'on nomme le domaine visible. Le domaine visible est défini par rapport au domaine de sensibilité de l'oeil humain, soit $\lambda\in[400nm, 780nm]$. Le domaine de sensibilité des diverses espèces animales peuvent varier légèrement, parfois en s'étendant au tout proche ultraviolet, parfois au tout proche infrarouge. Mais dans la vie en générale, la vision reste centrée sur le domaine $\lambda\in[250nm, 1000nm]$, qui correspond au domaine de maximum d'intensité de la lumière solaire, et à un domaine de transparence de l'atmosphère terrestre. |
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- Si le soleil avait été ce qui est appelé une naine rouge, c'est à dire une étoile dont la température de surface est plus froide, de l'ordre de 3000 degrés Kelvin ($3000K$), selon la loi de Wien le maximum d'émission de l'étoile se réaliserait à une longueur d'onde moyenne double, soit $\lambda_{moy}=1\mu m$. Notre oeil étant peu sensible à cette longueur d'onde, nous apparaitraient le soleil d'un rouge bien pâle et le jour bien sombre.</li><br> |
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- Mon propre corps est à la température de 37°C, soit environ 300 degrés Kelvin ($300K$), soit 10 fois moins que la température de surface de l'étoile naine rouge précédente. Comme toue matière (assemblage de particules chargées liées entre elles et en mouvement) je rayonne, mais avec un maximum d'intensité situé à une longueur d'onde 10 fois plus grandes, au voisinage de $\lambda_{moy}=10\mu m$. Les lunettes permettant de me voir la nuit grâce à ma propre émission thermique utilisent soit des amplificateurs de lumières visibles (mais il faut qu'il reste un peu de lumière visible que ma peau et mes vêtements puissent diffuser), soit des capteurs de rayonnement sensibles à la longueur d'onde moyenne de $`\lambda_{moy}=10\mu m`$. |
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- Je descends encore la température de la matière d'un facteur 10, et j'obtiens une température de 30 degrés Kelvin ($30K$). le rayonnement thermique d'un corps à cette température présente un maximum d'intensité à la longueur d'onde de $`\lambda_{moy}=100\mu m`$. La température de ($30K$) , exprimée en degré celsius, correspond à une température d'environ $-240°C$. Aucune température naturelle aussi basse n'est observée sur la Terre, dont la température moyenne (résultant de l'équilibre entre la lumière visible solaire absorbée par l'atmosphère, la terre et les océans, et la lumière infrarouge rayonnée par la Terre dans l'espace) se situe vers $+18°C$. qu'observerais-je si mes yeux n'étaient sensibles qu'aux longueurs d'onde proches de $\lambda_{moy}=100\mu m$ et si l'atmosphère n'était pas opaque à ces longueurs d'onde? Il existe une composante de matière, répandue dans tout l'espace, entre les étoiles. Appelée poussière interstellaire, cette composante est constitué de grains (mélanges solides de silicates, de matière carbonée et de glaces diverses) de tailles nanométriques (de l'ordre de 20 à 100 $\mu m$). Distribuée entre les étoiles, le ciel ne m'apparaitrait pas obscure, ponctué seulement par les étoiles et les planètes, mais sous la forme de vastes étendues lumineuses, comme des nuages, en directions des zones denses en poussières. |
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- De 30 degrés Kelvin ($30K$) à 3 degrés Kelvin ($3K$), la température chute encore d'un facteur 10, en de la matière en équilibre thermique à cette température émet son rayonnement à une longueur d'onde 10 fois plus grande, autour de $\lambda_{moy}=1\,mm$. Qu'observe-t-on de l'univers dans ce domaine de longueur d'onde? L'univers rayonne de façon dans toutes les direction et de façon très homogène comme un corps noir parfait à la température de ... $T=2.728\pm0.004\,K$. Ce rayonnement de corps noir quasi-parfait, appelé rayonnement cosmologique ou fond diffus cosmologique, est l'une des preuves très convaincantes du modèle du Big Bang. |
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D'autres types de sources de lumière visible émettent un spectre de raies plus ou moins larges. L'énergie de chaque photon émis correspond à la différence d'énergie entre un état de plus haute énergie et un état de plus basse énergie, entre lesquelles l'atome ou la molécule transite. |
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#### Sources secondaires de lumière : objets diffusants |
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!!! TODO |
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@ -1,23 +0,0 @@ |
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title: chap1_1_1_Page_title_lecons_colonnes |
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### chap1_1_1_Page_title_lecons_colonnes.fr |
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Tenait en son bec un fromage. |
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Maître Renard, par l'odeur alléché, |
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Lui tint à peu près ce langage : |
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Et bonjour, Monsieur du Corbeau. |
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Que vous êtes joli ! que vous me semblez beau ! |
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Sans mentir, si votre ramage |
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Se rapporte à votre plumage, |
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Vous êtes le Phénix des hôtes de ces bois. |
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À ces mots, le Corbeau ne se sent pas de joie ; |
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Et pour montrer sa belle voix, |
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Il ouvre un large bec, laisse tomber sa proie. |
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Le Renard s'en saisit, et dit : Mon bon Monsieur, |
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Apprenez que tout flatteur |
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Vit aux dépens de celui qui l'écoute. |
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Cette leçon vaut bien un fromage, sans doute. |
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Le Corbeau honteux et confus |
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Jura, mais un peu tard, qu'on ne l'y prendrait plus. |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_1_1 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_1_2 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_1_3 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_2_1 |
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title: chap1_2_2 |
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title: chap1_2_3 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_3_1 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_3_2 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: chap1_3_3 |
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@ -1,4 +0,0 @@ |
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title: Chap1 |
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# This page configuration is shared by all locales, in this directory. |
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## Thèmes |
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## Thèmes |
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