Optique - 2ème édition

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Dans ce cours, la représentation de la lumière est faite dans le formalisme de l'optique géométrique qui privilégie son caractère de propagation. Elle est illustrée par de nombreux exemples de dioptres plans et sphériques et est appliquée à la description de systèmes optiques simples comme les miroirs plans ou sphériques et les lentilles minces.

Publié le : mardi 18 mars 2003
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EAN13 : 9782100527908
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1 La lumière et loptique géométrique
4. LOPTIQUE GÉOMÉTRIQUE
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Les différents exemples abordés illustent bien le fait que lobservation dun phénomène lumineux est possible si lon dispose dunesource de lumière, dun milieu dans lequel elle se propage et dunrécepteurqui peutêtre un écran, lil... Afin dexpliquer les phé nomènes observés, loptique propose plusieurs formalismes que nous allons rappeler.
4.1. Cadre général de loptique
Le mot optique est la transcription du mot grec qui signifie « je vois ». Il nous rappelle quà lorigine on ne distinguait pas nettement létude des sens de la vue de celle de la lumière. Aujourdhui, cest loptique physiologique qui soccupe des sensations visuelles. Dans cet ouvrage, nous appliquons principalement loptique à des sources lumineuses du domaine visible. Cependant, loptique ne se limite pas seulement aux phénomènes lumineux proprement dits mais englobe aussi les rayonnements invisibles comme linfra rouge (IR), lultraviolet (UV), les rayons X..., qui obéissent aux mêmes lois. La lumière pourra donc être éventuellement définie dans un sens plus large que celui de rayonne ment visible.
Historiquement, loptique couvre trois domaines différents : loptique géométrique, lop tique ondulatoire et loptique quantique, qui sont apparus en ordre de difficulté crois sante tant expérimentale que mathématique. Il ne sagit pas doutils contradictoires mais de trois visions différentes des mêmes phénomènes (tableau 1.3). Loptique géomé trique nest pas autre chose quune méthode de calcul simple sappliquant sous certaines conditions. Nous verrons quelle est construite de manière logique et rigoureuse moyen nant quelques principes comme, par exemple, le principe de propagation rectiligne que nous avons déjà énoncé.
Validité
Préoccupations
Apparition
Tableau 1.3Les trois grandes subdivisions de loptique
Optique géométrique
Dimensions du système grandes devant la longueur donde qui se propage
Rayon lumineux Réflexion Réfraction Dispersion Photométrie
e XVIII siècle
© Dunod  La photocopie non autorisée est un délit.
Optique ondulatoire
Dimensions du système de lordre de la longueur donde qui se propage
Onde lumineuse Vibration électrique Interférence Diffraction Diffusion Polarisation
e XIX siècle
Optique quantique
Dimensions du système petites devant la longueur donde qui se propage
Processus atomiques Vibrations électromagnétiques Champ électrique et magnétique
e XX siècle
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4.2. La place de loptique géométrique et ses préoccupations
Optique
e e Loptique géométrique, développée entre le XII et le XVII siècle, est une approxima tion justifiée quand les dimensions du système optique étudié sont grandes devant la lon gueur donde de la lumière qui sy propage. Par exemple, elle explique parfaitement larcenciel provoqué par les grosses gouttes de pluie, alors quelle est incapable dexpli quer les auréoles appelées couronnes qui apparaissent autour de lampadaires plongés dans le brouillard. Elle ne rend pas compte de phénomènes à une échelle microsco pique tels que la diffraction ou les interférences, produits par exemple quand la lumière passe à travers des orifices réduits, ce qui montre que le principe de propagation recti ligne nest plus vérifié et doit être abandonné ; ces derniers phénomènes sexpliquent dans le cadre de loptique ondulatoire.
En fait, loptique géométrique ignore complètement les phénomènes de composition des ondes et se borne à additionner les effets des ondes indépendantes ; cest la raison pour laquelle la longueur donde intervient rarement dans la description de la propaga tion, si ce nest éventuellement à travers lindice absolu du milieu ou pour distinguer un rayonnement dun autre. Loptique géométrique ignore aussi la notion de photons car lénergie véhiculée par londe na pas dinfluence sur sa propagation.
Loptique géométrique utilise dessources. Dune manière générale, le mot source désigne tout ce qui envoie de la lumière à travers un dispositif, formé par exemple de lentilles ou de miroirs ; la distinction classique entresource primaireetsource secon dairena donc plus dimportance. Par exemple, la Lune et les planètes sont des sources secondaires dans le sens où elles némettent pas directement de la lumière, mais réflé chissent la lumière reçue du soleil, dite source primaire. En dépit de cette distinction, loptique géométrique sapplique dans les deux cas.
Lorsque les sources sont placées à grande distance (lampadaire, Lune, Soleil ou étoiles), les rayons sont pratiquement parallèles ; on dit quils forment un faisceau de rayons parallèles et que le faisceau est cylindrique. Dune manière générale, un faisceau peut avoir différentes configurations spatiales représentées dans la figure 1.6.
Faisceau de rayons parallèles
Faisceau divergent
Faisceau convergent
Figure 1.6Différentes allures de faisceaux.
En optique géométrique, on simplifie souvent le formalisme en faisant appel à des sources ponctuellesou peu étendues. On les réalise soit avec une source de faible taille, soit avec une source étendue placée à grande distance. Par exemple, une étoile, de très grande taille (plusieurs millions de kilomètres de diamètre), a depuis la Terre la taille dune flamme de bougie placée à 600 km. Dune manière générale, lorsquune source est étendue, on peut la considérer comme un ensemble de sources ponctuelles. Expérimentalement, un diaphragme permet den isoler une toute petite fraction. Enfin, jusquà présent, nous avons décrit la lumière comme une onde électromagné tique, caractérisée par sa fréquenceνou sa longueur dondeλ, sans parler de couleur.
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Cependant, notre système visuel distingue avant tout les différentes sources lumineuses par leur couleur. Par là même, la société actuelle fait souvent appel au codage par la cou leur plutôt que par la fréquence ou la longueur donde. Notre choix est délibéré. En effet, lil ne perçoit pas toutes les couleurs avec la même efficacité et sa sensibilité est généralement maximale pour la couleur jaune (voir chapitre 9). En vision photopique (de jour), il perçoit de façon à peu près identique le rouge et le bleu, mais il est peu sen sible au violet et au rouge extrême et a du mal à en distinguer les différentes nuances. Enfin, un objet napparaît coloré que sil est éclairé par une source primaire. Ainsi, éclairé en lumière blanche, un objet paraît rouge parce quil réfléchit les radiations rouges et absorbe les autres. Si lobjet présente des irrégularités de surface, il en résulte une diffusion non sélective qui adoucit sa couleur. Nous conviendrons à partir de ces quelques remarques que la notion de couleur est subjective. Elle ninterviendra donc pratiquement pas dans ce cours doptique géométrique et on caractérisera tout dabord une source par sa fréquenceν, ou sa longueur dondeλ; une référence à sa couleur pourra éventuellement être utilisée afin de permettre au lecteur de se repérer.
Encart historique. Pourquoi ne parleton que de sept couleurs ? Dans le domaine de la perception des couleurs, des idées fortement ancrées par le passé ont toujours cours, comme celle des sept couleurs de larcenciel. Cest Newton, qui après avoir découvert la décomposition de la lumière blanche en couleurs, en a parlé le premier. Le nombre « 7 », symbole de lharmonie des mondes, se retrouve dans les « 7 planètes » des Babyloniens, les 7 jours de la semaine, les 7 péchés capi taux, les 7 sacrements de lÉglise, les 7 merveilles du monde... Depuis plus de 300 ans, nous sommes tenus dajouter le mystérieux indigo aux six couleurs familières (le rouge, le bleu, le jaune, le vert, lorange et le violet). Cependant, dans lobservation dun arcenciel, il est difficile didentifier plus de 6 couleurs. Il semble que 6 ou 7 niveaux soient la limite de perception de nos sens. En effet, Hipparque avait décrit 6 niveaux de luminosité des étoiles, les musiciens ont défini 7 notes dans la gamme, 7 niveaux sonores de pianissimo à fortissimo...
On peut retenir lordre des 7 couleurs de larcenciel avec le mot VIBUJOR VioletIndigoBleuVertJauneOrangéRouge
5. CONCLUSION
Cest grâce à la lumière que nous pouvons découvrir le monde qui nous entoure. Nous en avons défini lessentiel. Dans la nature se produisent spontanément des phénomènes lumineux variés et spectaculaires comme les arcsenciel et les mirages. Les différentes conditions météorologiques que lon peut rencontrer leur offrent parfois de surprenants visages. Sujet en apparence banal, le phénomène lumineux naturel intrigue et émer veille tous ceux qui ont eu envie de sarrêter pour lobserver. Qui na pas alors été tenté de limmortaliser sur la pellicule dun appareil photo ou de le filmer afin de le partager avec ses amis ? Ces observations suscitent alors des interrogations auxquelles nous pro posons dans ce livre des éléments de réponse simples dans le cadre de loptique géomé trique. Nous y décrirons également un certain nombre dinstruments classiques et © DunmooddeLranpehso.tocopie non autorisée est un délit.
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