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Optique géométrique et ondulatoire
Optique géométrique et ondulatoire<o:p></o:p>
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I) Introduction au domaine de l’optique<o:p></o:p>
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- La lumière est vue comme une onde électromagnétique, descriptible à l’aide du concept de photon, qui se propage à la vitesse de la lumière (c = 3.108 m/s) dans le vide.<o:p></o:p>
- Les rayons lumineux ne peuvent se propager que dans les milieux transparents → v ≠ c.<o:p></o:p>
- La vitesse d’une onde dépend alors de la permittivité ε et de la permittivité magnétique μ : v = c / (εrμr)1/2<o:p></o:p>
- Dans un milieu non magnétique : v = c / (εr) 1/2 = c/n<o:p></o:p>
- n est l’indice optique du milieu, et selon la loi de Cauchy, il augmente lorsque λ diminue : n(λ) = a + b/λ²<o:p></o:p>
- Optique géométrique : les rayons lumineux d’un faisceau sont indépendants les uns des autres → vrai lorsque ces rayons se propagent dans des systèmes macroscopiques car le phénomène de diffraction est impossible.<o:p></o:p>
- Optique ondulatoire : phénomènes de diffraction / interférence lorsque les rayons lumineux rencontrent une fente d’une taille proche de la longueur d’onde.<o:p></o:p>
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II) Fondements de l’optique géométrique<o:p></o:p>
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- Principe de Fermat, postulat fondamental, montre que la lumière minimise le temps de propagation entre deux points : TAB = LAB/c<o:p></o:p>
- A partir de ce principe découlent les lois de réfraction :<o:p></o:p>
→ n1sinÏ´1 = n2sinÏ´2 et si la lumière se propage dans un milieu homogène (n1 = n2), alors Ï´1 = Ï´2<o:p></o:p>
→ Loi de réflexion spéculaire : Ï´2 = 180 - Ï´1<o:p></o:p>
→ Loi de Snell Descartes : si n2 > n1 alors n2 est plus réfringent que n1<o:p></o:p>
Lorsqu’on passe dans un milieu plus réfringent, l’angle avec la normale diminue, et lorsqu’on passe dans un milieu moins réfringent c’est l’inverse, avec possibilité de réflexion totale.<o:p></o:p>
→ Réflexion totale : apparait lorsque É… = arcsin(n2/n1)<o:p></o:p>
→ Prisme : spectroscope qui décompose la lumière avec une déviation différente des rayons selon leur λ.<o:p></o:p>
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III) Dioptres et lentilles<o:p></o:p>
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A) Définitions<o:p></o:p>
- Lentille convergente : bords minces, biconvexe // Lentille divergente : bords épais, biconcave.<o:p></o:p>
- Convention : les rayons venant de gauche sont entrants et ceux allant vers la droite sont sortants.<o:p></o:p>
- Objet : source de rayons entrants, réelle si située devant la face d’entrée du système optique.<o:p></o:p>
- Image : source de rayons sortants, réelle si située devant la face de sortie du système optique.<o:p></o:p>
- Stigmatisme : un point A passe par un point A’ via le centre optique → A et A’ sont conjugués.<o:p></o:p>
- Aplanétisme : tout objet AB plan et perpendiculaire à l’axe optique possède une image A’B’ également plane et perpendiculaire à l’axe optique.<o:p></o:p>
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B) Dioptre sphérique<o:p></o:p>
- Défini par son centre C et sommet S → SC, rayon de courbure, varie selon le sens de propagation de la lumière : <o:p></o:p>
ü S→C = SC >0 (dioptre convexe).<o:p></o:p>
ü C→S = SC <0 (dioptre concave).<o:p></o:p>
- La vergence du dioptre, en m-1, vaut D = (n’-n)/SC → si D<0, dioptre divergent et si D>0, dioptre convergent.<o:p></o:p>
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- Objet A à l’infini → l’image A’ est située au foyer image F’ et SF’ est la distance focale image = f’.<o:p></o:p>
- Objet A au foyer objet F → image A’ à l’infini et SF est la distance focale objet = -f.<o:p></o:p>
→ D = (n’/f’) = -(n/f)<o:p></o:p>
C) Lentilles minces<o:p></o:p>
- La vergence d’une lentille est donnée par la relation :<o:p></o:p>
→ D = (n’/p’)-(n/p) = (n’-n)/SC = (n’/f’) = -(n/f)<o:p></o:p>
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Type de lentille<o:p></o:p>
Objet<o:p></o:p>
Image<o:p></o:p>
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Convergente<o:p></o:p>
Réel, avant F<o:p></o:p>
Réelle<o:p></o:p>
Renversée<o:p></o:p>
Agrandie si OA > 2f<o:p></o:p>
Réduite si OA < 2f<o:p></o:p>
Réel, entre O et F<o:p></o:p>
Virtuelle<o:p></o:p>
Droite<o:p></o:p>
Agrandie<o:p></o:p>
Virtuel<o:p></o:p>
Réelle<o:p></o:p>
Droite<o:p></o:p>
Réduite<o:p></o:p>
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Divergente<o:p></o:p>
Réel<o:p></o:p>
Virtuelle<o:p></o:p>
Droite<o:p></o:p>
Réduite<o:p></o:p>
Virtuel, entre F et O<o:p></o:p>
Réelle<o:p></o:p>
Droite<o:p></o:p>
Agrandie<o:p></o:p>
Virtuel, au-delà de F<o:p></o:p>
Virtuelle<o:p></o:p>
Renversée<o:p></o:p>
Agrandie si OA < 2f’<o:p></o:p>
Réduite si OA > 2f’<o:p></o:p>
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IV) L’œil et la vision<o:p></o:p>
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- L’œil est composé de : la cornée (n=1,38), l’humeur aqueuse (n=1,34) et le cristallin (n=1,41).<o:p></o:p>
- L’essentiel de la réfraction a lieu entre l’air et la cornée.<o:p></o:p>
- Le cristallin joue le rôle d’une lentille convergente qui peut ajuster la distance focale des rayons lumineux :<o:p></o:p>
→ Accommodation.<o:p></o:p>
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La vision est définie par deux points dans l’espace :<o:p></o:p>
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ü Ponctum Proximum PP<o:p></o:p>
→ Point de l’axe optique qui donne une image nette, accommodation au maximum.<o:p></o:p>
→ Pour un adulte normal : PP = 25cm = 0,25m<o:p></o:p>
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ü Ponctum Remotum PR<o:p></o:p>
→ Point de l’axe le plus éloigné qui donne une image nette sur la rétine, au repos.<o:p></o:p>
→ Pour un œil normal : PR = infini.<o:p></o:p>
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- Vergence pour une accommodation maximale : Dmax = (n’/p’) - (1/PP)<o:p></o:p>
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- Vergence au repos : Drepos = (n’/f’R) = (n’/p’) - (1/PR)<o:p></o:p>
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- Potentiel d’accommodation : ΔD = Dmax - Drepos = (1/PR) - (1/PP)<o:p></o:p>
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- Chez un sujet normal, ΔD vaut 4 dioptries et dépend de la rigidité du cristallin (qui augmente avec l’âge).<o:p></o:p>
- Un œil qui ne présente aucun défaut visuel est dit emmétrope.<o:p></o:p>
- Au contraire, un œil présentant des défauts est amétrope (souvent lié à des problèmes de réfraction).<o:p></o:p>
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- Exemple d’amétropies :<o:p></o:p>
ü Myopie : œil trop convergent, PR situé à l’infini → verres divergents (à vergence négative).<o:p></o:p>
ü Hypermétropie : œil trop divergent, besoin d’accommoder pour voir des objets loin → verres convergents.<o:p></o:p>
ü Presbytie : lié au vieillissement (fatigue des muscles ciliaires...) → lunettes nécessaires pour ΔD< 3dioptries.<o:p></o:p>
ü Astigmatisme : lié à un défaut de sphéricité de l’œil → lentilles sphéro-cylindriques ou sphéro-toriques.<o:p></o:p>
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