Chimie-Physique 5
Doc 4- Exercice corrigé page 388 ... Il explique ainsi l'effet photoélectrique mis en
évidence par Hertz en 1887: la lumière est constituée de particules appelées ...
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PHYSIQUE 5
OPTIQUE
NOTES DE COURS COMPLÉMENTAIRES
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EXERCICES
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LABORATOIREBREF HISTORIQUE : la lumière
LHomme sintéresse depuis longtemps au concept de la lumière. Il navait quà regarder les objets durant le jour pour en apprécier leurs présences. Cette appréciation venait dune source naturelle; le soleil. Au fil du temps, lHomme sest raffiné. On a quà penser au fait quen soirée, il lui fallait une source lumineuse artificielle pour prolonger ses activités. La première source lumineuse nocturne accessible fut le feu. Cependant, le feu était une source trop difficile à transporter à lépoque. Alors, on créa par la suite la lampe à graisse danimale (il y a 17 000 ans); efficace mais éphémère. Ensuite, vint les lampes à lhuile végétale (Antiquité). Les chandelles de cires firent leur apparition au Moyen-Âge. (Cires : Mélange de gras et dalcool). Plus tard, au 19e siècle, on vit apparaitre la lampe au pétrole : odorante et nocive. Vers les années 1900, on créa le bulbe électrique, procédé de résistance électrique associé à la diffusion des gaz.
Historiquement, ce sont les Grecques qui auraient été les premiers à étudier la lumière. Euclide (300 ans av. JC) croyait que les yeux émettaient des rayons, ce qui permettait aux gens de voir les objets. Suite à la disparition de la civilisation grecque, les Arabes traduisirent les écrits grecs et en y raffinant les recherches et en y désignant leur plus grand scientifique Ibn-Al-Haitam (Alhazen) en 1000, qui en étudiant le fonctionnement de lil, en conclu que les rayons venaient des objets vers lil. Alhazen ébauche les lois de la réflexion et de la réfraction.
Pendant plus des deux derniers siècles, deux conceptions sur la nature de la lumière allaient se développer et saffronter : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire, jusquà ce que Bohr synthétise les deux théories.
Voici un bref historique sur le concept de la lumière et de ses deux théories :
1) LA THÉORIE CORPUSCULAIRE DE NEWTON ( H" 1675 )
À la suggestion de Newton et jusqu au dix-neuvième siècle, les scientifiques croyaient que la lumière était un faisceau de petites particules émis par une source lumineuse qui peuvent être réfléchies ou réfractées.
Cette théorie rendait compte du fait que les rayons lumineux se propagent en ligne droite, comme des particules projetées à grande vitesse.
Le concept de Newton permettait dexpliquer, entre autre, la formation des ombres nettes dun objet. De plus, selon Newton, les masses différentes
provoquent sur notre rétine des sensations distinctes : les couleurs.
2) LA THÉORIE ONDULATOIRE DE HUYGENS ( H" 1678 )
Théorie appuyée par Thomas Young, Augustin Fresnel, Hyppolite Fizeau et Léon Foucault (1801 à 1849)
Christiaan Huygens, physicien néerlandais, a remarqué que les ombres ne sont pas toujours aussi nettes que Newton le prétendait.( formation de pénombre ). Huygens proposa lidée que la lumière nétait pas constituée de particules puisquelle devait être une ONDE.
La couleur de la lumière est entièrement déterminée par la longueur de londe.
Une onde est une déformation qui se propage, sans quil y ait transport de matière. Pour expliquer la propagation de la lumière dans le vide ( absence de matière ), Huygens postule la présence dun fluide éthéré, dun éther dans lequel baignait tous les corps de lunivers et qui servirait de support aux ondes lumineuses.
3) LA THÉORIE ONDULATOIRE DE MAXWELL ( H" 1865 )
C est à James Clark Maxwell et à sa théorie mathématique sur les phénomènes électriques et magnétiques qui propulsa le concept de la théorie ondulatoire de la lumière.
Il compléta l idée de Huygens en stipulant que la lumière devait se comporter comme une onde électromagnétique à la manière dune onde radio.
Il démontra quun champ magnétique qui varie en intensité ( à la suite du
mouvement dune charge électrique, par exemple) engendre une onde capable de transporter de lénergie, la lumière.
4) LEFFET PHOTOÉLECTRIQUE DE HERTZ ( H" 1887 )
L effet photoélectrique (émission d électrons par un métal sous l action de radiations lumineuses) fut découvert en 1887 par Heinrich Hertz, lors de ses travaux sur l électromagnétisme. En 1900, le physicien allemand Lenard montra que seules les radiations de faible longueur d onde peuvent provoquer la photoémission, quelle que soit l intensité du rayonnement incident.
5) LA THÉORIE CORPUSCULAIRE D EINSTEIN ( H" 1905 )
Après que l idée de Newton soit tombée en désuétude et face à l insuffisance
de la théorie ondulatoire, Einstein reprend le modèle corpusculaire de Newton.
Il explique ainsi leffet photoélectrique ( électrons arrachés de la surface dune
plaque de métal par un faisceau de lumière ) qui avait été découvert préalablement par Hertz.
Selon lui, la lumière est composée de petits grains dénergie appelés
« PHOTONS » . Chacun de ces grains (photons) déplace un électron et disparaît
au moment de limpact donnant alors toute son énergie à lélectron.
Avec la théorie photonique d Einstein, le concept d éther est tombé dans l oubli.
6) LA SYNTHÈSE DE BOHR ( H" 1910 )
Ni la théorie corpusculaire ni la théorie ondulatoire ne rendent compte de
l ensemble des phénomènes lumineux. Les deux théories sont nécessaires et
semblent contradictoires
tout dépendant du point dobservation.
Par exemple, un cylindre ressemble à un cercle lorsquon le regarde de face ou à un rectangle lorsquon le regarde de profil.
Toutefois, aucune de ces descriptions ne le décrit correctement.
Bohr postule que la lumière est un phénomène plus complexe, à la fois onde et particule, tout dépendant de la façon dont on lobserve
Selon Bohr, la production de la lumière est liée au mouvement des électrons sur latome. Lorsquun électron absorbe de lénergie, il passe à une couche électronique supérieure :
+
N é é
Lorsque lélectron retourne à sa couche initiale, il réémet lénergie absorbée (il libère lénergie) sous forme dune onde électromagnétique. De la lumière est ainsi créée.
La lumière est donc une onde
+ électromagnétique dont lénergie
N é é est transmise de façon discontinue
par « quanta » appelés photons.
Onde énergétique
Plus lécart entre les couches électroniques en jeu est grand, plus la fréquence de londe lumineuse émise est grande. Cest ainsi quon peut expliquer lexistence de différentes couleurs de lumière. En résumé, Bohr considère que :
La lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule.
7) LA THÉORIE DE LA DUALITÉ ONDE-PARTICULE ( 1923 )
En sinspirant de la synthèse de Bohr, la théorie quantique a montré que la lumière agit comme un ensemble de particules et comme une onde : cest la dualité onde-particule.
Cette théorie, introduite en mécanique quantique par Louis de Broglie en
1923, associe une onde à toute particule. Par analogie avec le photon,
Louis de Broglie associa ainsi à chaque particule libre d'énergie E et
d'impulsion p une fréquence f et une longueur d'onde ».
.
INTRODUCTION: les ondes
Comme la lumière se comporte à la fois comme une onde et une particule, il sera important de comprendre ce qu est une onde et quelles sont ses caractéristiques.
Une onde est le déplacement d une ou de plusieurs perturbations dun endroit à un autre dont lorigine est une source dénergie.
Exemple :
Les perturbations de limage de gauche sont plus grandes que celle de droite.
Ces perturbations dans leau, communément appelées des vagues, sont créées par une source dénergie (une roche qui frappe les molécules deau). Cet impact roche-eau fait que lénergie cinétique de la roche se transforme en énergie dans leau suite à limpact. Cet énergie provoque un mouvement de va-et-vient de haut en bas des particules qui composent ce milieu mais, une fois la vague passée, les particules deau se retrouvent à lendroit où elles étaient avant larrivée de la vague.
Caractéristiques des ondes :
Les ondes se présentent sous deux catégories :
Les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques etc. où se propage un état de tension, de vitesse et de pression...
Les ondes électromagnétiques : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma, où se propage un état de champs électrique et magnétique...
Une perturbation périodique à intervalles
réguliers engendre des ondes qui décrivent
un mouvement de va-et-vient régulier quon
appelle une vibration.
Lamplitude de londe correspond au
déplacement maximal dun point de
londe par rapport à sa position au repos.
La longueur donde (lð)ð est la distance entre deux points semblables consécutifs d une onde, par exemple entre deux crêtes ou deux creux. (voir schéma page 5)
La fréquence (f) d une onde indique le nombre de vibrations par unité de temps, habituellement par seconde. Son unité de mesure est alors le hertz (Hz).
Exemple : Une onde émet 6 vibrations en 1 minute.
La période (T) dune onde correspond au temps nécessaire à londe pour effectuer un cycle complet. Son unité de mesure est la seconde. La période est aussi linverse de la fréquence. (T= 1/f)
Exemple : Un pendule fait 8 oscillations complètes
(A-B-A sur limage) en 40 secondes.
La vitesse dune onde (v) mesure la distance que londe parcourt par unité de temps. Elle est généralement donnée en mètres par seconde (m/s).
IRIS, Montres-toi!!
Exemple : Une onde parcourant 9 mm en 2 secondes.
La vitesse dune onde dépend de deux facteurs :
Le type donde
Exemples : sons, lumière, onde radio, rayon gamma,
.
Les caractéristiques physiques du milieu dans lequel elle se propage.
Exemples : masse volumique, température ou la pression,
.
Exemple
En ne faisant varier que la température, la vitesse dune onde peut varier étant donné lénergie gagnée ou perdue par cette onde due au milieu ambiant.
Type dondeMilieuPression (kPa)Température (°C)Vitesse (m/s)SonoreAir101 kPa20 °C343 m/sSonoreAir101 kPa30 °C349 m/sSonoreAir101 kPa0 °C332 m/s
Exemple 1
Une équipe de chercheurs à bord dun bathyscaphe immobile explore un fond marin. Elle envoie une onde sonore voyageant à 1530 m/s vers le plancher océanique et en reçoit lécho 6 secondes plus tard. À quelle distance du bathyscaphe le fond de locéan se trouve-t-il?
Il est également possible de calculer la vitesse dune onde selon sa longueur donde et sa fréquence.
Exemple 2
Sur une plage, on observe que les crêtes de 2 vagues successives sont espacées de 20 m. Sil arrive 10 vagues par minute, quelle sera la vitesse des vagues (en m/s)?
Les catégories dondes
On distingue généralement deux catégories dondes :
les ondes mécaniques et les ondes électromagnétiques.
Les ondes mécaniques se propagent à laide des particules dun milieu. En effet, cest la vibration des particules qui composent le milieu où se trouvent ces ondes qui permet à lénergie de se propager dune particule à une autre. Les vagues, le son et les tremblements de terre sont des exemples dondes mécaniques. Les vagues se propagent à la surface de leau. Le son peut se propager dans un solide (un mur), un liquide (leau) ou un gaz (lair). Quant aux tremblements de terre, ils se propagent habituellement dans le sol.
Cette portion du cours porte particulièrement sur les ondes électromagnétiques. Ces ondes sont partout. Par exemple, les infrarouges sont perçus par la peau sous forme de chaleur et les ultraviolets sont responsables du bronzage de la peau et des coups de soleil. De même, les rayons X permettent de voir à lintérieur du corps, tandis que les rayons gamma sont utilisés pour soigner certains cancers. La lumière est la seule onde électromagnétique que loeil humain peut percevoir.
Toutes les ondes électromagnétiques ont un point en commun: elles peuvent se déplacer dans lespace en plus de pouvoir se propager dans un milieu composé de particules. Heureusement dailleurs, car si les ondes électromagnétiques ne pouvaient pas se déplacer dans le vide, il serait impossible de voir le Soleil, la Lune et les étoiles.
Une onde électromagnétique se propage aussi bien dans le vide que dans un milieu composé de particules.
Nos yeux ne détectent qu'une partie du spectre électromagnétique, la lumière "visible". La lumière ultraviolette est à l'une des extrémités du spectre, la lumière infrarouge de l'autre. Le source principale de la lumière infrarouge est le rayonnement thermique : toute matière dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15°C) émet un rayonnement dans le spectre infrarouge. Plus l'objet est chaud, plus le rayonnement infrarouge est important.
Déplacement des ondes
Les ondes peuvent se déplacer de deux façons :
Transversalement : Une onde transversale est un type d' HYPERLINK "https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde" \o "Onde" onde pour lequel la déformation du milieu est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.
Longitudinalement : Une onde longitudinale est un type d' HYPERLINK "https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde" \o "Onde" onde pour lequel la déformation du milieu se fait dans la même direction que la propagation.
Voir à cette adresse pour plus de support visuel :
http://youtu.be/Rbuhdo0AZDU
EXERCICES les ondes et la lumière
Vrai ou Faux?
Un canard flotte sur leau calme dun lac. Lorsquune vague arrive, le canard monte et descend. Après le passage de la vague, il se retrouve au même endroit. Rép : _____________
Le déplacement en a. est longitudinal. Rép : _____________
Les yeux humains ne sont sensibles quà une zone étroite du spectre électromagnétique. Quelles sont les deux couleurs extrêmes que nous pouvons voir? Dans le spectre, après ces deux couleurs
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À partir des données suivantes, trouvez lamplitude, la longueur donde, la fréquence et la vitesse de londe.
Le sommet de la plupart des gratte-ciel oscille lentement. Quelle est la fréquence dun gratte-ciel qui met 10 secondes à effectuer un mouvement complet de va-et-vient?
Une élève mesure le déplacement dun point dune onde entre une crête et un creux. Elle divise ensuite le résultat par deux. Obtient-elle une mesure correcte de lamplitude de cette onde? Expliquez votre réponse.
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Vrai ou Faux? Si un énoncé est faux, corrigez-le.
La vitesse dune onde dépend du type donde et des caractéristiques du milieu dans lequel elle se propage.
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La vitesse dune onde dépend de la fréquence et de lamplitude.
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La vitesse dune onde mesure la longueur donde en fonction du temps.
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Une personne vérifie son pouls et compte 78 battements en 1 minute. Quelle est la fréquence des battements de son cur en hertz?
Devant son réveille-matin, Bob sexclame : «Je peux te voir, alors pourquoi ne puis-je pas tentendre?» Expliquez pourquoi Bob ne peut pas entendre lalarme de son réveille-matin. DÉMO CLOCHE SOUS VIDE
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DÉFI MÉNINGES : Doù vient le bruit de la mer que lon entend quand on colle un coquillage ou une tasse ou même ses deux mains (expérimentez-le) sur son oreille?
DÉFI MÉNINGES : Que deviennent les ondes sonores quand elles ne sont pas entendues?
POSTEDescription du phénomène
(phrase brève)Exemple de ce phénomène dans la vieNuméro Nom du phénomènecommentaires
1
2
3
4
5
6
7
8
9
LABORATOIRE les phénomènes lumineux
Maintenant, que vous avez expliqué les phénomènes, on vous demande dinscrire le numéro et le nom du phénomène correspondant aux postes que vous avez observez.
Luminescence (fluorescence)
Propriété des corps qui émettent de la lumière sous laction dun rayonnement, dune excitation. Le phénomène cesse avec le retrait de la source.
Luminescence (phosphorescence)
Émission de lumière par une substance ayant été soumise à un rayonnement et qui persiste un temps appréciable après qua cessé lexcitation.
Incandescence
État dun corps rendu lumineux par chauffage intense ou par une température élevée.
Absorption
Absorption de certaines couleurs de la lumière blanche lorsquelle passe à travers un filtre.
Réflexion spéculaire
Surface lisse qui réfléchit les rayons de façon parallèle.
Diffusion
Surface rugueuse qui réfléchit les rayons dans toutes directions.
Réfraction
Changement de direction de la lumière lorsquelle franchit la séparation entre 2 milieux transparents de densité optique différentes.
Dispersion
Étalement des couleurs
Diffraction
Comportement des HYPERLINK "https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde" \o "Onde" ondes lorsquelles rencontrent un obstacle ou une ouverture ; le phénomène peut être interprété par la diffusion dune onde par les points de l'objet. La diffraction se manifeste par le fait qu'après la rencontre dun objet, la densité de l'onde nest pas conservée contrairement aux lois de l HYPERLINK "https://fr.wikipedia.org/wiki/Optique_g%C3%A9om%C3%A9trique" \o "Optique géométrique" optique géométrique.
THÉORIE Sources de lumière et phénomènes lumineux
1. Quelle est la principale source de lumière que tu connais?
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Cette source de lumière est si intense quil faudrait 10 000 000 000 000 000 ampoules de 100 Watts distribuées sur la moitié de la surface de la Terre.
2. Vous connaissez sûrement dautres sources de lumière. Nommes-en quelques unes.
Il y a deux types de sources de lumière.
1-Incandescence
L'incandescence est l'émission de lumière par un corps qui est chauffé. La couleur de la lumière émise est alors caractéristique de la température de ce corps (ex. : un rond de cuisinière devient rouge lorsqu'il est porté à haute température, le filament d'une ampoule incandescente produit de la lumière lorsqu'un courant électrique le traverse).
2-Luminescence
La luminescence est l'émission de lumière par un corps non incandescent, donc « froid », sous l'effet d'une excitation.
Il y a 5 catégories de luminescence :
a) Fluorescence
La fluorescence est l'émission instantanée, par luminescence, de lumière par un corps soumis à un rayonnement (ex. : encre invisible révélée sous un éclairage ultraviolet). L'émission de lumière se fait donc pendant l'excitation.
b) Phosphorescence
La phosphorescence est l'émission, par luminescence, de lumière par un corps qui a été soumis à un rayonnement. L'émission de lumière persiste donc après l'excitation (ex. : l'écran d'un téléviseur émet une faible lumière pendant quelque temps après qu'on l'ait éteint car les photophores qui le forment émettent par phosphorescence).
c) Chimioluminescence
La chimioluminescence est l'émission de lumière lors d'une réaction chimique
Exemple de chimioluminescence : les bâtons lumineux
Ils sont à la fois pratiques et amusants. Ils émettent une douce lumière aux couleurs plus mystérieuses les unes que les autres sans pour autant produire de chaleur. Les bâtons lumineux n'ont cependant pas de piles. Pas de cordon d'alimentation non plus. Magie? Non, chimie!
Le phénomène à la base du fonctionnement de ces bâtons lumineux est la chimioluminescence qui, tout comme la fluorescence, produit de la lumière sans toutefois dégager de la chaleur. Mais plutôt que d'être alimentée par un rayonnement, la chimioluminescence tire son énergie d'une réaction chimique. Avant de nous attaquer à cette chimie lumineuse, attardons-nous d'abord à la composition de nos fameux bâtons lumineux.
Un bâton lumineux est composé d'une enveloppe en plastique plus ou moins rigide, dans laquelle se trouve une solution chimique. Le plus souvent, bien que la composition de cette solution puisse changer d'un fabricant à l'autre, le tube contient un mélange d'un ester, le bis(2,4,6 trichlorophenyl)oxalate, et d'un colorant fluorescent. Les bâtons lumineux sont offerts dans toute une gamme de couleurs et c'est le colorant utilisé qui déterminera de quelle couleur ils luiront.
Au cur du bâton, se trouve aussi une fiole de verre contenant une solution de peroxyde d'hydrogène (H2O2). Lorsque le bâton lumineux est légèrement tordu, cette fiole se brise et son contenu se mélange au milieu environnant. S'ensuit alors une série de réactions chimiques qui mèneront éventuellement à la production d'énergie. L'énergie ainsi libérée excite les molécules de colorant qui réémettront à leur tour cette énergie sous forme de lumière en se désexcitant.
Bilan des réactions chimiques ayant lieu dans le bâton lumineux
Les bâtons luminescents ont trouvé mille et une applications. Ils sont particulièrement utiles puisqu'ils n'ont pas besoin de source d'énergie externe, ce qui les rend pratiques dans des situations d'urgence, en camping ou en plongée. La chimioluminescence a de plus une utilisation plus ludique qui fait la joie des enfants lors des fêtes foraines, illuminant alors colliers et bracelets. Elle complète aussi à merveille les tenues excentriques de certains amateurs de rave.
d) Bioluminescence
La bioluminescence est l'émission de lumière lors d'une réaction biochimique se produisant à l'intérieur d'un organisme vivant (ex. : certaines variétés de plancton marin produisent une faible lueur verte à la surface de l'eau la nuit). La figure montre un organisme marin émettant de la lumière par bioluminescences.
e) Électroluminescence
L'électroluminescence est l'émission de lumière par un corps soumis à un courant électrique (ex. : les diodes électroluminescentes utilisées comme indicateurs sur les appareils électroniques produisent de la lumière par électroluminescence lorsqu'elle sont mises sous tension). Dans le cas de l'électroluminescence, le corps émetteur demeure froid, contrairement au cas de l'incandescence. Ici, un afficheur à diodes électroluminescentes.
3. Nommez quelques phénomènes provenant de source de lumière incandescente.
4. Quelle différence y a-t-il entre une source phosphorescente et une source fluorescente?
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5. Associe les phénomènes lumineux suivants aux catégories suivantes :
AmpouleBâtons lumineux durgenceLaserÉtoileMontre digitaleLucioleTube fluorescentAutocollant pour cyclismePhare halogèneAllumette Lumière (suite à une mise sous tension)Éclair
a) Source incandescente b) Source bioluminescente c) Source phosphorescente d) Source fluorescente e) Source chimioluminescente f) Source électroluminescente
THÉORIE La propagation de la lumière
La lumière est la cause des impressions que perçoit lil.
La lumière sous deux formes
.Corps lumineuxCorps éclairésIls produisent de la lumièreIls ne produisent pas de lumière mais sont visibles parce quils reçoivent la lumière des corps lumineuxSoleil
Bougie
LampeLune
Table
Toi-même HYPERLINK "http://images.google.ca/imgres?imgurl=http://www.boissetamerica.com/downloads/wines/logos/Joliesse/Soleil%2520Joliesse%252072%2520dpi.jpg&imgrefurl=http://www.boissetamerica.com/downloads/wines/logos/JoliesseLogos.aspx&h=3071&w=3071&sz=1583&hl=fr&start=3&tbnid=g1cKAcy8TZgLcM:&tbnh=150&tbnw=150&prev=/images%3Fq%3Dsoleil%26svnum%3D10%26hl%3Dfr%26lr%3D%26sa%3DG" INCLUDEPICTURE "http://images.google.ca/images?q=tbn:g1cKAcy8TZgLcM:http://www.boissetamerica.com/downloads/wines/logos/Joliesse/Soleil%2520Joliesse%252072%2520dpi.jpg" \* MERGEFORMATINET
Ces corps éclairés peuvent se retrouver sous trois formes :
Corps opaques : Ils ne laissent pas traverser la lumière.
Ex : Carton, mur
Corps transparents : Ils laissent traverser la lumière.
Ex : Verre, certains plastiques, lunette
Corps translucides : Ils laissent traverser la lumière sans laisser apparaître le contour des objets.
Ex : Verre dépoli ou rugueux, vitrail
La lumière se propage de façon rectiligne
Exemple :
DÉMONSTRATION Le sténopé
Veuillez observer les images formées dans les boîtes brunes installées dans la classe.
DÉMONSTRATION Les sources de lumières (ponctuelles et étendues)
Source ponctuelle :
Cest une source de petite dimension formant une ombre. Exemples : Un arc électrique, une petite ampoule
Source étendue :
Cest une source de grande dimension formant une ombre et une pénombre.
Exemple : Une lampe de verre dépoli
Mais, quest-ce que la lumière ?
La lumière désigne les ondes électromagnétiques (associées aux particules élémentaire de la lumière, le photon) visibles par l'il humain et sa vitesse de propagation dans le vide est denviron 300 000 000 m/s. La lumière peut être considérée comme un flux de particules énergétiques dénuées de masse, cest-à-dire, les photons. Aussi, la lumière est considérée comme étant un rayonnement émis par des corps portés à haute température (incandescence) ou par des corps excités (luminescence) et qui est perçu par les yeux.
EXERCICES Propagation de la lumière et éclipses
(Sur feuilles mobiles)
Quest-ce quun corps lumineux? Quest-ce quun corps éclairé?
Quest-ce quune source ponctuelle? Quest-ce quune source étendue?
Quest-ce quune ombre? Quest-ce que la pénombre?
Quels sont les facteurs qui pourraient influencer la netteté de lombre dans un montage lumière, corps opaque et écran?
Quelles sont les conditions pouvant nous amener à avoir une ombre nette?
Comment peut-on prouver que la lumière voyage en ligne droite?
Comment peut-on vérifier si un objet est lumineux ou éclairé?
Les fenêtres de votre maison laissent passer la lumière. Laissent-elles passer la totalité de rayons lumineux? Pourquoi?
Comment savez-vous que la lumière voyage dans le vide?
Quarrivent-ils à limage si on agrandissait le trou du sténopé?
Un sténopé est placé à 30 cm dun écran où se forme une image de 8 cm de hauteur. Lobjet est placé à 80 cm du sténopé. Quelle est la hauteur de lobjet?
Quelle est la distance écran-sténopé lorsque la hauteur de limage est de 15 cm alors quun objet 3 fois plus petit que limage est placé à 5 cm du trou?
Quel type de source produit une ombre nette?
Construit un schéma dune éclipse annulaire. (Respectez les proportions des astres et identifiez-les ainsi que la direction des rayons lumineux)
On place une source lumineuse devant un écran. Entre les deux, on installe deux obstacles. En complétant le schéma, indiquez les zones dombre et de pénombre.
THÉORIE Les éclipses
1.Éclipse totale : La lune sinterpose entre le soleil et la terre. Lalignement est parfait. (Ombre = éclipse totale) En périphérie (Pénombre = éclipse partielle)
2. Éclipse partielle : La lune sinterpose entre le soleil et la terre. Lalignement nest pas parfait. (Pénombre = éclipse partielle seulement)
3. Éclipse annulaire : La lune est à son apogée, cest-à-dire, le plus loin possible de la terre selon son orbite elliptique. Vue de la terre, la lune ne cache pas totalement le soleil. On observera un anneau de lumière autour de la lune.
4. Éclipse lunaire : La lune est située dans le cône dombre de la terre. La terre agit comme un écran (corps opaque) aux rayons lumineux provenant du soleil. Les régions adjacentes au cône dombre seront en éclipse lunaire partielle.
EXERCICES Phénomènes lumineux
Énumérez cinq phénomènes lumineux de votre environnement.
Nommez des phénomènes lumineux que vous avez déjà vus :
Uniquement en plein jour.
Uniquement en pleine nuit.
Définissez les interactions lumière-matière suivantes et donnez des exemples pour chacun des cas.
Incandescence
Phosphorescence
Fluorescence
Associez des phénomènes observés dans votre environnement à chacun des phénomènes cités ci-dessous.
La réflexion de la lumière
La réfraction de la lumière
Labsorption de la lumière
Voici une liste dobjets : La lune, un satellite, un avion, un clou, la flamme dun brûleur, une allumette, lécran dun téléviseur, une planète, une bougie, une montre, une lampe de poche.
Parmi ces objets, lesquels peuvent devenir lumineux
Par incandescence?
Par fluorescence?
Par phosphorescence?
Comment peut-on voir un objet qui nest pas lumineux?
Une vitre laisse-t-elle passer toute la lumière incidente ?
Quels sont les avantages dun rayon laser pour étudier le comportement de la lumière?
Comment savez-vous que la lumière voyage dans le vide ?
Quentend-on par propagation rectiligne de la lumière?
Nommez les phénomènes lumineux que vous pouvez observer sur la figure ci-contre?
Quelle différence fait-on entre un faisceau, un pinceau et un rayon lumineux ?
Comment appelle-t-on une source lumineuse si petite quon peut lidentifier à un point donné ?
Une source lumineuse peut-elle émettre un seul rayon ? Pourquoi?
**15- Un faisceau de lumière provenant dune source ponctuelle passe par une
ouverture de 3cm x 4 cm placée à 30 cm de la source. Trouvez la surface de la
plage lumineuse formée sur un écran parallèle à louverture et placé à 120 cm de
celle-ci.
**16- Une source lumineuse sphérique de 4 cm de diamètre est placée à 20 cm dune
ouverture circulaire de 8 cm de diamètre. Quelle sera la grandeur de la plage
lumineuse formée sur un écran blanc placé parallèlement à 50 cm de louverture.
17- Par une belle journée ensoleillée, lombre de Julie mesure 35 cm et celle de Pierre 40 cm. Sachant que Julie mesure 1,60 m, quelle est la taille de Pierre ?
18- Charles, mesurant 1,80 m, est debout à une distance de 2 m dun lampadaire.
Quelle est la longueur de lombre de Charles si le lampadaire mesure 3m ?
19- Si la distance entre lobjet et limage produite par un trou sténopéique est de 6 cm,à quelle distance de lobjet est placé le trou sténopéique pour que limage soit
1/10 de la grandeur de lobjet ?
20- Le rayon orbital de la Lune est denviron 354 000 Km. Combien de temps met la
lumière à nous parvenir de la Lune ?
21- Quel est le rayon de lorbite terrestre si la lumière met environ huit minutes à nous parvenir du Soleil ?
22- Une année-lumière est la distance parcourue pendant un an par la lumière à la
vitesse de 300 000 Km/s. Évaluez en kilomètre la distance dun vaisseau spatial
qui serait situé à une année-lumière de la Terre ?
23- Létoile la plus proche de notre système solaire est à 4,3 années-lumière.
Quelle est cette distance en Km ?
En quelle année nous parviendra un rayon lumineux émis aujourdhui à partir
de létoile en question ?
Quelle est cette étoile ?
24- En effectuant lexpérience des 2 lanternes imaginée par Galilée pour mesurer la
vitesse de la lumière, quel intervalle de temps les expérimentateurs essayaient-ils dévaluer sachant que les collines étaient distantes de 200 m ?
DÉMONSTRATION Ombre et pénombre
Buts :
Déterminer les conditions afin dobtenir une ombre la plus nette possible.
Trouver la relation mathématique entre la distance corps opaque-source ponctuelle et laire de lombre.
Manipulations :
Observer, pour chacun des postes, la qualité de lombre et/ou de la pénombre obtenue.
Noter les observations.
Organisation des données :
POSTEOBSERVATIONS
(Qualité de lombre et/ou de la pénombre, Grandeur de lombre/pénombre, présence dombre et/ou de pénombre ? et autres observations notablesInfluence du type de source
Source étendueSource ponctuelleInfluence de la distance de la source
Quand on éloigne la sourceQuand on approche la sourceInfluence de la distance de lécran
Quand on éloigne lécranQuand on approche lécranInfluence de la position du corps opaque
Quand on éloigne le corps opaque de la sourceQuand on approche le corps opaque de la sourceInfluence du nombre de source ponctuelle
Une source ponctuelleDeux sources ponctuelles
Interprétation des données (Exemple partielle de questionnement)
Analyse (Type de questions quil faut se poser lorsquon analyse)
Déterminer à laide des manipulations précédentes les conditions maximales qui permettent dobtenir une ombre la plus nette possible.
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Tracer un schéma représentant la trajectoire de la lumière frappant un corps opaque à partir dune source ponctuelle
Tracer un schéma représentant la trajectoire de la lumière frappant un corps opaque à partir dune source étendue.
LABORATOIRE Les miroirs plans
PARTIE A : LES LOIS DE LA RÉFLEXION
BUT : Établir une relation entre langle dincidence dun rayon lumineux et langle de réflexion dans un miroir plan.
MANIPULATIONS :
Sur une feuille blanche, tracer au centre, un trait horizontal équivalent à la longueur de votre miroir.
Au centre de ce trait, tracer en pointillée, une normale : droite perpendiculaire.
Placer le miroir debout sur le trait, larrière coïncidant avec le trait.
Avec la source lumineuse, envoyer un rayon sur le point de jonction entre le trait et la normale. Tracer ce rayon incident sur la feuille ainsi que le rayon réfléchi obtenu.
Faire cette dernière manipulation à 4 autres reprises en faisant varier langle du rayon
Mesurer les angles incidents et réfléchis.
RAYONSANGLE DINCIDENCE
(degrés)ANGLE DE RÉFLEXION (degrés)12345
QUESTIONS :
Je suis ce qui détermine la grandeur des angles dincidence et de réflexion : ___________________________________________
Langle dincidence est _________________à langle de réflexion.
Faire un schéma de la situation suivante :
Un miroir est placé debout (comme dans votre laboratoire) sur la table et vous envoyez un rayon incident de 36o. Dessiner le rayon réfléchi et déterminer langle de réflexion.
PARTIE B : FORMATION DES IMAGES DANS UN MIROIR PLAN
BUT : Déterminer la position dune image dans un miroir plan par la méthode du parallaxe.
DÉFINITION : PARALLAXE
Une parallaxe est un déplacement de la position apparente dun corps, par rapport à un autre corps, causé par un changement de position de lobservateur.
MANIPULATIONS :
Préparer une feuille blanche comme la manipulation A mais sans tracer de normale
Placer un gros crayon marqueur à un endroit précis devant le miroir et tracer le contour. (Cest le point OBJET).
Avec un deuxième gros crayon marqueur semblable que lon déplace derrière le miroir, trouver la position pour que limage de lobjet dans le miroir et le deuxième crayon soit exempt de parallaxe. À ce moment, on aura limpression que limage du miroir et le deuxième crayon ne font quun.
Mesurer la distance objet-miroir (Do)
Mesurer la distance image-miroir (Di)
Recommencer les manipulations en changeant lobjet (premier crayon) de position.
ESSAISDo (cm)Di (cm)
1
2
QUESTIONS :
Comparer la distance image-miroir et la distance objet-miroir.
_____________________________________________________
Où place-t-on limage lorsque lobjet nest pas en face du miroir?
_____________________________________________________
Trouver la position de limage pour les objets suivants :
_______________________________________
PARTIE C : FORMATION DES IMAGES DANS UN MIROIR PLAN
BUT : Déterminer la position dune image dans un miroir plan par la méthode des lignes de visée.
MANIPULATIONS :
Préparer une feuille blanche comme la manipulation A (trait)
Placer verticalement une aiguille à un endroit précis devant le miroir. (Ce sera le point OBJET) Indiquer un «O» près de laiguille objet.
En regardant uniquement limage obtenue de laiguille dans le miroir, placer une seconde aiguille de façon à superposer cette deuxième aiguille et limage de la première.
Ajouter une troisième aiguille qui viendra se superposer aux deux autres.
Relier les positions obtenues par la deuxième et troisième aiguille jusquau miroir. (Cest une ligne de visée)
Refaire deux autres lignes de visée en changeant langle dobservation de laiguille image dans le miroir.
Prolonger les 3 lignes de visée jusquà leur point de rencontre. (Cest la position de limage de laiguille.)
Compléter la trajectoire des rayons lumineux partant de lobjet pour chaque ligne de visée.
Faire une normale pour chaque ligne de visée.
Mesurer les angles dincidence et de réflexion pour chaque ligne de visée.
Mesurer la distance image-miroir (Di) et la distance objet-miroir (Do).
ORGANISATION DES DONNÉES
LIGNES DE VISÉEANGLE DINCIDENCE
(degrés)ANGLE DE RÉFLEXION (degrés)123
DISTANCE OBJET-MIROIR (cm)DISTANCE IMAGE-MIROIR (cm)
QUESTIONS :
1- Que remarquez-vous lorsque vous observez les mesures dangle dincidence et de réflexion? ___________________________________________________________
2- Que remarquez-vous lorsque vous observez les distances objet-miroir et image-miroir?
____________________________________________________________________
3- Énoncé les 2 lois de la réflexion spéculaire dans les miroirs plan : (Inspirez vous de votre manuel de physique Quantum
EXERCICES La lumière
Quelle est la couleur de la bande de lumière visible ayant la plus basse fréquence?
Quelle est la fréquence minimale des rayons ultraviolets?
Quelle est la longueur donde minimale des rayons infrarouges?
Quobtiendrez-vous en multipliant la fréquence dune couleur de la bande de la lumière visible par sa longueur donde?
Pour chaque objet, indiquez sil constitue un milieu opaque, translucide ou transparent.
OBJETMILIEUUn vase en terre cuiteUne boîte de cartonUne feuille de papier rougeUn pare-brise dautoDe la crème de champignonsLa surface vitrée dun écran dordinateurUn miroir de salle dessayageUn tissu de soieUn lingot dorLair ambiantUne fenêtre givréeUn trou dans une chaussette de laine
Lorsque la lumière passe dun milieu transparent à un milieu opaque, peut-elle être réfractée?
Un téléphone cellulaire émet à la fréquence de 854 MHz. À quel type dondes électromagnétiques cette fréquence appartient-elle?
Quels comportements la lumière peut-elle avoir lorsquelle touche la surface qui sépare deux milieux?
À quelle catégorie dondes les éléments suivants appartiennent-ils?
ÉlémentOndes mécaniquesOndes électromagnétiquesUn lecteur de code-barresLe tonnerreLa foudreUn arc-en-cielUn ouraganLénergie thermiqueLes ultrasons
Les ultraviolets peuvent être subdivisés entre trois groupes : les UVA, dont les longueurs donde vont de 400 nm à 320 nm, les UVB, qui se situent entre 320 nm et 280 nm, et les UVC, qui peuvent aller jusquà 100 nm. Auquel de ces groupes appartient une onde électromagnétique dont la fréquence est de 7,9 x 1014 Hz? (Indice : la vitesse des ultraviolets est de 3,0 x 108 m/s)
Quelle est la couleur des infrarouges?
Quelle preuve avons-nous du fait que la lumière peut voyager dans le vide?
Sur quelle fréquence (en MHz) dois-je régler mon poste de radio pour syntoniser une station dont le signal a une longueur donde de 3 m?
Quel groupe dondes électromagnétiques permet deffectuer chacune des actions suivantes?
ActionsGroupe dondesDécongeler ou faire cuire un pouletVoir à lintérieur du corpsLire un livreMaintenir au chaud les poussinsSoigner certains cancersConverser avec un téléphone cellulairePourquoi la lumière est-elle réfléchie lorsquelle frappe une feuille de papier daluminium polie?
Quelles ondes électromagnétiques ont la plus grande longueur donde?
Comme les émissions radio et télé sont émises par des ondes radio, elles peuvent se propager dans le vide intersidéral à la vitesse de la lumière. Supposons quil existe une civilisation extraterrestre sur une planète située à 9,0 x 1018 m de la nôtre. Dans combien de temps commenceront-ils à recevoir nos émissions?
Au cours dun tremblement de terre, un séismographe enregistre des ondes sismiques dont la vitesse est de 5 km/s et à la fréquence, de 10 Hz. Quelle est la longueur donde de ce tremblement de terre ?
Les ultrasons sont des ondes sonores de haute fréquence. Ils se propagent dans leau à la vitesse de 1,50 km/s. Si la longueur donde dune onde ultrasonique dans leau est identique à celle dune onde lumineuse dont la fréquence est de 2,50 x 1014 Hz dans le vide, quelle est sa fréquence?
LES PRÉFIXES SI PAR ORDRE NUMÉRIQUE
PRÉFIXES
SYMBOLE
FACTEURYottaY1024ZettaZ1021ExaE1018PetaP1015TéraT1012GigaG109MégaM106Kilok103Hectoh102Década101Décid10-1Centic10-2Millim10-3Microµ10-6Nanon10-9Picop10-12Femtof10-15Attoa10-18Zeptoz10-21yoctoy10-24
INDICES DE RÉFRACTION ET VITESSES DE LA LUMIÈRE A
MILIEU
INDICE
VITESSE (m/s)Vide1,003,00 x 108Air1,00032,998 x 108Glace à -8 °C1,312,289 x 108Eau1,332,254 x 108Alcool éthylique1,362,204 x 108Quartz1,462,053 x 108Verre de Crown1,521,972 x 108Diamant2,421,239 x 108THÉORIE Calcul de la vitesse de la lumière
Lexpérience de Michelson-Morley (1926) :
Lexpérience est effectuée à partir dun miroir rotatif octogonal.
Un rayon lumineux est émis dune source . Ce rayon frappe la face 1 du miroir et il
est reflété sur une distance de 35,5 Km . À son arrivée , le rayon subit une nouvelle réflexion de 35,5 Km afin que la lumière revienne frapper le miroir sur la face 3.
Lobservateur perçoit maintenant la lumière.
1 7
2 6
3 5
Lorsque le miroir ne bouge pas, lobservateur perçoit une image fixe de la source.
En faisant tourner le miroir octogonal, lobservateur perçoit maintenant des éclairs.
Lorsquon augmente la vitesse de rotation, on atteint une vitesse pour laquelle limage se stabilise ( vitesse de rotation = 525 tours/sec ) :
La face 2 du miroir a pris la place de la face 3 du miroir durant le temps mit par la
lumière pour parcourir la distance de 71 Km ( 2x 35,5 Km ).
CALCUL DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE :
Distance parcourue par la lumière = 71 Km
Temps pour que le miroir passe de la face 2 à la face 3 ( 1/8 tour )
Vitesse de rotation du miroir = 525 tours / sec
525 tours = 1 sec
1/8 tour = x
x = 0,000238 sec ( 2,38 x 10 4 )
Vitesse lumière = 71 Km = 298 319, 33 Km/sec
0,000238 sec
Aujourdhui, avec lapport de nombreux scientifiques à cette expérience, on a
réussit à obtenir un résultat de 299 792, 46 Km/sec pour la vitesse de la lumière.
LABORATOIRE Le champ de vision dun miroir plan
Quelle est la définition dun champ de vision ?
_____________________________________________________________
Énumérer des situations de la vie courante qui nécessite un champ de vision.
_________________________ _________________________
_________________________ _________________________
_________________________ _________________________
Quels sont les facteurs qui influencent le champ de vision ?
_________________________ _________________________
_________________________ _________________________
LABORATOIRE SUR LE CHAMP DE VISION
Préparation du matériel :
Fixez une feuille blanche sur le carton, à laide de deux épingles.
Déposez le miroir au tiers de la feuille.
Fixez le miroir sur la feuille.( le support à miroir du côté gauche )
Tracez larrière du miroir et les deux extrémités.
Préparation de lexpérience :
Alignez le bord de la feuille blanche avec le bord de la table.
Placez lorbite de lil sur la feuille. Indiquez la position.
NE BOUGEZ PLUS.
Expérience :
Placez le pied de lépingle de la façon suivante :
Champ de vision du côté droit du miroir :
Regardez le plus à droite possible dans le miroir.
Placez le pied dune épingle à la limite de votre champ
de vision.
Recommencer avec une seconde épingle.
Champ de vision du côté gauche du miroir :
Sans bouger le miroir, déplacer le support à miroir du
côté droit.
Refaire la manipulation 1
EXERCICES Réflexion dans les miroirs plans
Tracez la situation suivante :
Un rayon incident frappe un miroir avec un angle de 42°. La réflexion spéculaire
seffectue normalement.
Lobjet A est placé devant un miroir plan. Situez son image et déterminez à laide de rayons lumineux, comment un observateur placé au point O peut voir cet objet.
Miroir plan
A
O
Une bougie est placée devant un miroir plan. Dessinez son image et déterminez par le tracé des rayons, comment un observateur placé au point O peut observer limage de la bougie.
O
4- Il y a quatre objets devant un miroir plan. Quels sont ceux qui peuvent être vus
par un observateur placé au point A ?
II
III
IV
I
Miroir plan
A
5- Tracez le champ de vision de lobservateur qui regarde dans un miroir en utilisant
la méthode de votre choix.
Observateur Miroir plan
6- Une femme de 1,70 m se place à 1 m dun miroir plan vertical de 2 m de haut.
Quelle portion minimale du miroir lui permet de se voir au complet ?
Tracez un schéma à léchelle.
7- EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES, VOLUME QUANTUM P. 45-47EXERCICES Réflexion et champ de vision
Complétez les phrases suivantes :
La lumière parvient le plus souvent à notre il après avoir été __________ sur une surface.
La lumière qui parvient à notre il après avoir frappé la surface de cette
feuille a subi une réflexion _______________.
Si la surface de la feuille avait été polie, la réflexion aurait été _________
Nous pouvons voir une étoile parce que celle-ci __________ de la lumière.
Nous pouvons voir une planète parce que celle-ci __________ la lumière
du __________.
Limage formée par un miroir plan ne peut pas être captée sur un écran.
Cest une image __________.
Limage formée par un miroir plan est située __________ le miroir.
H) Limage formée par un miroir plan est symétrique de lobjet par rapport
au plan du miroir et sa distance du miroir est la même que celle de _____
Langle dincidence est celui que fait le ____________________ avec
la _______________.
Les deux lois de la réflexion peuvent sénoncer comme suit :
*__________________________________________________________
*__________________________________________________________
Complétez le schéma ci-contre en indiquant :
la position de limage,
le rayon incident,
le rayon réfléchi,
le point dincidence,
langle dincidence,
langle de réflexion.
Le schéma ci-dessous montre un observateur et un objet placés devant un miroir plan. Tracez limage ainsi que les rayons lumineux qui permettent à lobservateur de voir cette image dans le miroir.
Langle formé entre un rayon incident et le miroir est de 38 o. Quel sera langle de réflexion du rayon lumineux après avoir réfléchi sur le miroir ?
( Faire un schéma de la situation )
Un rayon lumineux frappe un miroir plan selon un angle dincidence de 45 o.
Le miroir pivote de 15 o vers le rayon incident. ( Faire un schéma )
Quel est le nouvel angle dincidence ?
Quelle est la déviation de langle de réflexion ?
Le schéma suivant montre le tuyau dun périscope rudimentaire.
Positionnez sur le schéma les deux miroirs plans qui permettront à
lobservateur de voir le voilier et tracez la marche dau moins deux rayons lumineux.
Limage du voilier sera-t-elle inversée ? Justifiez votre réponse.
___________________________________________________________
___________________________________________________________
Le dessin ci-dessous montre une observatrice assise dans une pièce et regardant dans un miroir.
Nommez les objets dont lobservatrice pourra voir limage dans le miroir.
Deux miroirs plans forment entre eux un angle de 70 o. Un pinceau lumineux
frappe le premier miroir en faisant un angle de 45 o avec sa surface. Quel sera langle de réflexion du rayon lumineux sur le deuxième miroir ?
Une observatrice « O » regarde successivement dans les deux miroirs qui sont devant elle. Détermine quels sont les objets numérotés dont elle pourrait voir limage en traçant correctement et complètement son champ de vision.
On a indiqué dans le schéma ci-dessous la position du miroir après quon lait
pivoté de 35 o dans le sens horaire.
Trace la nouvelle normale, puis détermine langle dincidence et langle
de réflexion.
Trace ensuite le rayon réfléchi.
20o
Miroir avant rotation
35o
EXERCICES Vérifions nos acquis
Quelles thèses, diamétralement opposées, saffrontaient dans lAntiquité au sujet de la perception visuelle ?
Distinguez réflexion diffuse et réflexion spéculaire.
Quest-ce quun éclairage indirect ?
Donnez des exemples déclairage direct et indirect à la maison ou à lécole.
Décrivez comment les miroirs plans servent à agrandir une pièce.
Décrivez à laide dun schéma lutilisation dun rétroviseur dans un véhicule.
Pourquoi un miroir courbe est-il parfois utilisé du côté du passager ?
Pourquoi nest-il pas recommandé de nutiliser que des miroirs courbes dans une voiture ?
Pourquoi lapplication de cire et le polissage rendent-ils les meubles brillants ?
Une surface blanche, telle une feuille de papier, réfléchit presque toute la lumière qui la frappe. Pourquoi ne peut-elle pas servir de miroir ?
Vous regardez votre visage dans un miroir plan. Comme il sagit dune image virtuelle, comment êtes-vous certain que celle-ci correspond à votre vrai visage ? Donnez une preuve en utilisant les lois de la réflexion.
Vous éclairez la surface dun miroir plan avec votre lampe de poche. Le faisceau lumineux incident fait un angle de 30° avec la normale du miroir. Quel est langle de réflexion ?
**13- Comment expliquez-vous quun sextant puisse mesurer des hauteurs de 0° à
120°, alors que son alidade ne couvre que 60° ?
**14- Selon quel angle doit-on tourner un miroir plan pour avoir une déflexion linéaire
de 15 cm à un mètre ?
**15- Un rayon lumineux frappe un miroir plan avec une incidence normale. Quelle
sera la déflexion du rayon réfléchi à un mètre du miroir si le miroir est dévié
de 5° ?
16- Vous êtes situé à 50 cm dun miroir plan. À quel endroit se trouve votre image ?
Est-elle réelle ou virtuelle ?
17- Vous regardez votre épaule droite dans un miroir plan placé à 50 cm devant
vous. La distance horizontale séparant votre il droit de votre épaule droite est
de 17 cm. Tracez un schéma indiquant la position de votre il, du miroir, de
votre épaule et de son image. Précisez la trajectoire dun rayon lumineux
impliqué lors de cette réflexion.
18- Deux miroirs plans font entre eux un angle de 70°. Si un rayon lumineux fait un
angle de 25° avec lun des miroirs, quel sera langle de réflexion du lumineux sur
le deuxième miroir ?
Les questions #19 à #22 se rapportent aux données suivantes :
Alexandre et Stéphanie ainsi que leur chat se tiennent côte à côte le long dune droite parallèle au plan dun miroir et placée à 1 m de celui-ci. Alexandre et Stéphanie sont respectivement à 1 m et à 50 cm de leur chat et regardent celui-ci dans le miroir.
19- À quel endroit est limage du chat ?
20- Cette image change-t-elle de position selon quelle est observée par Alexandre ou
par Stéphanie ?
21- Quel est langle dincidence dun rayon chat miroir Stéphanie ?
22- Quel est langle de réflexion dun rayon chat miroir Alexandre ?
23- Vous projetez un faisceau lumineux sur un miroir plan et vous faites tourner le
miroir de 15°. Quelle sera la déviation du rayon réfléchi ?
24- Le schéma suivant représente un objet (larbre) placé à 8 cm dun miroir plan.
25- Si lon déplace le miroir de 3 cm vers la gauche, quelle sera la distance entre
limage et la nouvelle position du miroir ?
LABORATOIRE Miroirs courbes
PARTIE A (MIROIR CONCAVE)
Manipulations :
Placez votre miroir concave, décentré vers la droite, dans lespace ci-dessous.
Tracez la forme du miroir.
Avec le laser, envoyez un rayon au centre du miroir afin quil se réfléchisse sur lui-même. Dessinez-le. Ajoutez vos flèches sur vos rayons.
CEST LAXE PRINCIPAL DU MIROIR.
Avec le laser, envoyez deux autres rayons parallèles à laxe principal.
Dessinez-les ainsi que leurs réflexions.
Quont en commun les rayons réfléchis ?
________________________________________________________
Ce point de rencontre se nomme : FOYER. Identifiez ce point par F.
Donc, un rayon parallèle à laxe principal dun miroir se réfléchit en passant par le __________________________________
Avec le laser, envoyez un rayon passant par le foyer de votre miroir.
Dessinez-le et indique le sens de déplacement par des flèches.
De quelle façon ce rayon se réfléchit-il ?
________________________________________________________
DONC, UN RAYON PASSANT PAR LE FOYER DUN MIROIR SE RÉFLÉCHIT : ______________________________________________
PARTIE B (MIROIR CONCAVE)
Placez et tracez votre miroir ci-dessous. Dessinez laxe principal.
Envoyez un rayon parallèle à laxe principal.
Tracez ce rayon incident ainsi que sa réflexion.
TRACEz LA NORMALE.
LE POINT DE RENCONTRE ENTRE LA NORMALE ET LAXE PRINCIPAL SE NOMME : LE CENTRE DE COURBURE DU MIROIR.
Répétez la manipulation en envoyant un autre rayon incident parallèle à laxe. Tracez de nouveau la normale de ce rayon.
Quobservez-vous ?
________________________________________________________
Donc, si la face dun miroir est une courbe, la normale correspond au
___________ du cercle qui est toujours perpendiculaire à la tangente tracée au point dincidence.
Envoyez un rayon passant par le centre de courbure de votre miroir.
Dessine-le ainsi que sa réflexion.
DONC, UN RAYON PASSANT PAR LE CENTRE DE COURBURE SE RÉFLÉCHIT : ______________________________________________
Quelle relation retrouve-t-on entre la distance foyer-miroir et la mesure du centre de courbure ?
________________________________________________________
PARTIE C (MIROIR CONVEXE)
MANIPULATIONS :
Placez votre miroir convexe au centre et tracez-le ci-dessous :
Dirigez un rayon vers le centre du miroir afin quil se réfléchisse sur lui-même. Tracez-le.
Cette droite se nomme : ____________________________________
Envoyez deux autres rayons parallèles à laxe principal. Dessinez-les ainsi que leurs réflexions.
Que remarquez-vous?
_______________________________________________________
Le point de rencontre du prolongement de ces rayons réfléchis se
nomme : _____________________ et il est virtuel.
Tracez en couleur la normale de ces deux rayons réfléchis.
Prolongez les normales vers larrière du miroir.
Le point de rencontre du prolongement des normales se nomme :
____________________________ et il est virtuel.
Comparez la distance focale trouvée pour le miroir concave avec celle retrouvée pour le miroir convexe.
________________________________________________________
Résumé de la trajectoire des rayons lumineux dans un miroir convexe :
Un rayon parallèle à laxe principal se réfléchit en divergeant et le
____________________ de son rayon réfléchi passe par le foyer.
Un rayon dont le prolongement passe par le _________________
se réfléchit _________________________ à laxe principal.
Un rayon dont le prolongement passe par le centre de courbure se
réfléchit ________________________________________
PARTIE D (MIROIR CONCAVE ET CONVEXE AVEC SOURCE DE LUMIÈRE BLANCHE ET LUNETTE À CINQ FENTES)
MANIPULATIONS SUR LE MIROIR CONCAVE :
Placez votre miroir concave au centre et tracez-le ci-dessous.
Veuillez envoyer les cinq rayons sur le miroir et veuillez tracer la trajectoire des rayons ainsi que le foyer du miroir.
MANIPULATIONS SUR LE MIROIR CONVEXE :
Placez votre miroir convexe au centre et tracez-le ci-dessous.
Veuillez envoyer les cinq rayons sur le miroir et veuillez tracer la trajectoire des rayons ainsi que le foyer du miroir.
THÉORIE Miroirs courbes : convention des signes et relations mathématiques
1) Formule : Hi = Li = Lf
Ho Lf Lo
Cas de similitude de triangles :
Le triangle ( a ) est semblable au triangle ( b ) donc Hi = Lf
Ho Lo
Le triangle ( c ) est semblable au triangle ( d ) donc Hi = Li
Ho Lf
2) Formule : Lf 2 = Li x Lo
Puisque Hi = Lf et que Hi = Li
Ho Lo Ho Lf
Alors, Lf = Li ( Lf 2 = Li Lo
Lo Lf
3) Formule : 1 = 1 + 1
Lf Do Di
En considérant le graphique précédant, on constate que les valeurs de Do et de Di peuvent se calculer à partir des relations suivantes :
Do = Lo + Lf ( Lo = Do - Lf
Alors
Di = Li + Lf ( Li = Di - Lf
Sachant que Lf 2 = Li x Lo
Alors Lf 2 = ( Di Lf ) x ( Do Lf )
Lf 2 = DiDo DiLf DoLf + Lf 2
Lf 2 Lf 2 = DiDo DiLf DoLf
= DiDo DiLf DoLf
DiLf + DoLf = DiDo
Mise en évidence de Lf :
Lf ( Di + Do ) = DiDo
Diviser léquation par Lf :
Lf ( Di + Do ) = DiDo
Lf Lf
Di + Do = DiDo
Lf
Diviser léquation par DiDo :
Di + Do = DiDo
DiDo DiDo Lf DiDo
Après simplification, on obtient :
1 + 1 = 1
Do Di Lf
4) Convention de signes :
Le miroir est toujours la référence de distance 0.
Les distances, Do et Di, sont positives lorsquelles sont prises en avant du miroir.
Les distances, Do et Di, sont négatives lorsquelles sont prises en arrière du miroir ( Formées par le prolongement des rayons ).
La distance focale ( Lf ) est positive si réelle et négative si Lf est virtuelle.
La hauteur image ( Hi ) est positive si limage est droite et virtuelle.
La hauteur image ( Hi ) est négative si limage est renversée et réelle.
La hauteur objet ( Ho ) est toujours positive.
La distance objet-foyer (lo) est positive si lobjet est après le foyer.
La distance image-foyer (li) est positive si limage est après le foyer.
Lo est +
Li est +
Li est
5) Formule du Grandissement ( Gr ) :
Le grandissement se calcule en établissant le rapport entre la hauteur de limage et la hauteur de lobjet.
Gr = Hauteur de limage = Hi
Hauteur de lobjet Ho
- Quand limage est droite, le grandissement est > 0, donc +
( Convention )
- Quand limage est renversée, le grandissement est < 0 , donc -
( Convention )
Relation entre le grandissement et Do , Di
Cas de 2 triangles semblables formés par Do et Di
Alors, Hi = Di Mais, limage étant droite, le Grandissement ( Gr )
Ho Do doit être positif.
Gr = Hi = Di
Ho Do
En regardant lillustration correctement, on saperçoit que la valeur de Di devrait être négative puisque limage est formée à partir des prolongements des rayons.
Pour se conformer à la convention des signes, on utilisera léquation suivante.
Gr = Hi = - Di
Ho Do
Caractéristiques de limage selon la position de lobjet :
Position
de
lobjetPosition
de
limageGrandeur
de
limageSens
de
limageTypes
dimage
à linfini
F
Hi < Ho
Renversée
Réelle
De linfini au C
du F au C
Hi < Ho
Renversée
Réelle
à C
C
Hi = Ho
Renversée
Réelle
du C au F
du C à linfini
Hi > Ho
Renversée
Réelle
au F
Infini
Hi > Ho
RenverséeRéelle
ou
absence dimage
du F au miroir
arrière du miroir
Hi > Ho
Droite
Virtuelle
près du miroir
arrière, près du
miroir
Hi = Ho
Droite
Virtuelle
EXERCICES Miroirs courbes
PARTIE 1 : Pour les numéros 1 à 7, tracez deux rayons minimum et déterminer la position de limage. Ensuite, donnez les caractéristiques des images obtenues.
1- 2-
c f c f
3- 4-
c f c f
5- 6-
c f f c
7-
f c
Soit un miroir sphérique concave ayant une distance focale de 10 cm. On place un objet à 20 cm du foyer. Quelle est la distance foyer-image ?
On place un objet à 30 cm dun miroir concave ayant une distance focale de
15 cm. Quelle est la hauteur de lobjet si limage possède une hauteur de 10 cm. ?
En utilisant une chandelle haute de 5 cm, vous voulez enregistrer sur un
écran une image haute de 50 cm. Le miroir possède une distance focale de 10 cm. À quelle distance du foyer devez-vous placer la chandelle ?
À quelle distance du miroir devez-vous placer la chandelle ?
Un clou de 4 cm de haut est placé verticalement devant un miroir concave,
à 15 cm du foyer principal. Limage produite est renversée. La distance focale du miroir est de 20 cm. Quelle est la hauteur de limage ?
Quel est le grandissement ?
Limage réelle dune bougie est à 30 cm du sommet dun miroir concave.
La bougie a une hauteur de 10 cm et son image a une hauteur de 5 cm.
Quelle est la distance focale du miroir ?
Un miroir convexe a un rayon de 40 cm. Déterminez :
la position de limage virtuelle par rapport au foyer si lobjet se trouve
à 50 cm du foyer.
la position de limage virtuelle par rapport au miroir pour la même position de lobjet.
le grandissement.
On place un objet à 5 cm dun miroir concave de 10 cm de distance focale.
Quelles sont les caractéristiques de limage ?
Quelle est la distance image-miroir ?
Quel est le grandissement ?
On recueille une image nette à 12 cm dun miroir concave de 16 cm de centre
de courbure. Où doit-on placer lobjet ?
Quelle est la distance focale dun miroir sachant quun objet placé à 60 cm
donne une image réelle à 30 cm du miroir ?
Trouvez la position de limage dun objet placé à 20 cm devant un miroir
convexe ayant une distance focale de 40 cm.
Un miroir concave a un rayon de courbure de 60 cm. Trouvez la position de
limage dun objet placé à 20 cm du miroir.
Un miroir convexe a un rayon de 40 cm. Déterminez la position de limage
virtuelle si lobjet se trouve à 30 cm du miroir.
Donnez deux façons de tracer une normale à un point dun miroir courbe ?
Dans un miroir sphérique , quel autre nom pourrait-on donner à la normale ?
Sur la figure suivante, tracez les rayons réfléchis :
EMBED PBrush
On place un objet de 6 cm de haut à 12 cm du foyer dun miroir concave.
Sachant que limage obtenue est virtuelle et 3 fois plus grande que lobjet, détermine la distance focale du miroir et la distance image-miroir.
On place un objet de 4,2 cm de haut à 10 cm devant un miroir convexe.
Dans ces conditions, limage obtenue est de 1,4 cm. Détermine la distance focale du miroir.
Un miroir concave a une longueur focale de 20 cm. On place un objet de 25 cm de haut exactement à mi-chemin entre ce miroir et le foyer. Détermine la hauteur et la position de cette image.
EXERCICES COMPLÉMENTAIRES
Volume QUANTUM p. 54, 70 et 76.
EXERCICES Miroirs courbes à remettre à lenseignant
Une bougie est placée au-delà du foyer principal dun miroir concave. Décrivez le type dimage formée par le miroir?
SHAPE \* MERGEFORMAT
À quel endroit, devant un miroir concave, devez-vous placer un objet pour obtenir une image réelle de même grandeur que lobjet?
SHAPE \* MERGEFORMAT
Quelle différence y a-t-il entre un miroir concave et un miroir convexe?
Donnez des exemples de surfaces réfléchissantes convexes et de surfaces réfléchissantes concaves.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Pourquoi les phares dune voiture doivent-ils être munis de réflecteurs convergents?
SHAPE \* MERGEFORMAT
À laide dun schéma expliquez pourquoi un miroir concave de poche renvoie une image agrandie de votre visage?
SHAPE \* MERGEFORMAT
Le réflecteur dune lampe de poche est un miroir sphérique concave dont le rayon de courbure de 2lf est de 3 cm. À quelle distance du réflecteur doit-on placer la source lumineuse si lon veut que la lampe de poche projette un faisceau à rayons parallèles?
À quel endroit se formera limage dune étoile observée à laide dun télescope à miroir concave dont le rayon de courbure est de 4 cm?
SHAPE \* MERGEFORMAT
Une bougie de 5 cm de hauteur est placée à 40 cm dun miroir concave dont la distance focale est de 10 cm. Décrivez limage formée en fonction de type, de position, de hauteur et de grandissement.
SHAPE \* MERGEFORMAT
La bougie de lexercice numéro 9 est déplacée à 6 cm du miroir. Décrivez limage obtenue?
Vous captez, à 16 cm dun miroir concave, limage réelle dun objet très éloigné. Vous rapprochez cet objet et vous le placez à 4 cm du miroir. Si lobjet mesure 10 cm, quelle sera la hauteur de limage obtenue? Quel sera le grandissement?
On place une bougie ayant 5 cm de hauteur à 12 cm du foyer dun miroir parabolique concave. La distance focale du miroir est de 4 cm. Quelle sera la position de limage formée?
SHAPE \* MERGEFORMAT
À quelle distance dun miroir concave doit-on placer un objet pour obtenir une image réelle à une position correspondant à trois fois la distance focale?
LABORATOIRE Les images dans les miroirs concaves
Buts : 1) Déterminer la distance focale dun miroir concave.
2) Établir la relation entre Hi et lo.
3) Donner les caractéristiques des images dans un miroir concave.
Manipulations :
La distance focale ( lf ) dun miroir concave :
Placer le miroir concave sur un mètre à un endroit précis.
En plaçant le mètre sur votre épaule ou devant vous , aligner le miroir avec une source de lumière éloignée.
À laide dun écran, trouver limage de la source éloignée la plus nette
possible.
Mesurer la distance entre limage et le miroir concave. Cest le lf.
Relation entre Hi et lo et les caractéristiques des images :
Installer le banc doptique tel que démontré.
Placer le miroir à un endroit précis sur la règle.( entre 15 et 95 cm )
Noter la distance source-miroir ( Do ). Ne pas oublier la distance entre
la source et le bord de la règle.
Avec lécran, trouver limage de la source.
Noter la distance image-miroir ( Di )
Noter la hauteur de limage obtenue. ( Hi )
Noter la nature de limage ( Réelle ou virtuelle )
Noter le sens de limage ( Droite ou renversée )
Répéter les manipulations B à H , quatre autres fois.
Calculer les distances objet-foyer ( lo )
Calculer les distances image-foyer ( li )
Mesurer la hauteur de la source lumineuse ( Ho )
Organisation des données :
essais
Ho
(cm)
Do
(cm)
Di
(cm)
Hi
(cm)
Lf
(cm)
lo
(cm)
li
(cm)
Nature
image
Sens
image123456789
EXERCICES La réflexion dans les miroirs courbes
32- Pourquoi les phares dune voiture doivent-ils être munis de réflecteurs convergents ?
33- À laide dun schéma, expliquez pourquoi un miroir concave de poche renvoie une
image agrandie de votre visage.
34- Le réflecteur dune lampe de poche est un miroir sphérique concave dont le rayon
de courbure est de 3 cm. À quelle distance du réflecteur doit-on placer la source
lumineuse si lon veut que la lampe projette un faisceau à rayons parallèles ?
35- À quel endroit se formera limage dune étoile observée à laide dun télescope à
miroirs concaves dont le rayon de courbure est de 4 m ?
36- Une bougie de 5 cm de hauteur est placée à 40 cm dun miroir concave dont la
distance focale est de 10 cm. Décrivez limage formée en fonction du type,
de position, de hauteur et de grandissement.
37- La bougie de lexercice précédent est déplacée à 6 cm du miroir. Décrivez limage.
38- Vous captez, à 16 cm dun miroir concave, limage réelle dun objet très éloigné.
Vous rapprochez cet objet et vous le placez à 4 cm du miroir. Si lobjet mesure
10 cm, quelle sera la hauteur de limage obtenue ? Quel sera le grandissement ?
39- On place une bougie ayant 5 cm de haut à 12 cm du foyer dun miroir concave.
La distance focale du miroir est de 4 cm. Quelle sera la position de limage formée?
40- À quelle distance dun miroir concave doit-on placer un objet pour obtenir une image
réelle à une position correspondant à trois fois la distance focale ?
SOLUTIONNAIRE #32 À #40
LABORATOIRE La réfraction
DANS CE LABORATOIRE, VEUILLEZ TOUJOURS IDENTIFIER LES RAYONS INCIDENTS (I1), LES RAYONS RÉFRACTÉS (R1) ET LES FLÈCHES.
MANIPULATION 1: Utilisation d'un prisme rectangulaire
Dessinez le contour de votre prisme dans l'espace ci-dessous:
Envoyez un rayon lumineux (I1) sur la surface supérieure du prisme, et ce, de façon non-perpendiculaire et tracez ce rayon.
Tracez la normale au point d'incidence.
Dessinez les rayons produits à travers le prisme.
Quobserve-t-on au sujet de la trajectoire des rayons lumineux? ________________________________________________________________
Augmentez l'angle d'incidence du rayon lumineux (I2). Tracez les rayons concernés.
Observez-vous toujours le même phénomène?_____
Comment appelle-t-on ce phénomène de déviation des rayons? _____________
Quand vous envoyez un rayon dans le prisme rectangulaire, combien de fois observe-t-on ce phénomène? _______
À quel(s) endroit(s) observe-t-on ce phénomène? ________________________________________________________________
Donc, les rayons lumineux changent de direction lorsquils rencontrent
..
un nouveau milieu
un nouveau milieu de densité différente du premier
un prisme
Est-ce que la lumière est totalement réfractée dans le prisme? ______________
Si non, pourquoi? __________________________________________________
Commentaires :
MANIPULATION 2: Utilisation d'un prisme semi-circulaire
Dessinez le contour de votre prisme dans l'espace ci dessous
Dans la section plane du prisme, trouvez le point central. Ce sera le point d'incidence.
TRACEZ la normale passant par ce point central.
Envoyez un rayon lumineux (I1) traversant le prisme par la partie semi-circulaire en VISANT LE POINT D'INCIDENCE et en ayant un angle dincidence de 10o. Tracez la trajectoire complète de ce rayon.
Déplacez votre rayon incident (I2) afin de l'éloigner de la normale, en augmentant langle dincidence, disons à 30o.
Est-ce que le rayon traverse encore une fois la partie plane de votre prisme? ___ Tracez la trajectoire complète de ce rayon.
Complétez le tableau suivant :
Rayons(I1)(I2)variation(R1)(R1)variation INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET i1= INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET i2=" INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET i= INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET r1= INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET r2=" INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET r=
Entre (I1) et (I2), vous avez augmenté langle de 20o. Que sest-il passé au niveau des angles de réfraction? Le tableau précédent est à votre disposition pour analyser les changements.
______________________________________________________________________
Déplacez votre rayon incident et augmentez l'angle d'incidence afin d'obtenir une réfraction à 90 o
- Dessinez la trajectoire de ce rayon.
- Cet angle d'incidence produisant une réfraction à 90 o s'appelle un
ANGLE CRITIQUE
-Quelle est la mesure de cet angle critique? __________________________
Quarrive-t-il lorsqu'on augmente davantage cet angle critique ? Veuillez tracer.
_________________________________________________
Ce phénomène se nomme RÉFLEXION TOTALE INTERNE.
MANIPULATION 3 : Utilisation d'un prisme triangulaire
Tracez le contour de votre prisme dans l'espace ci-dessous.
Envoyez un rayon lumineux sur le prisme afin de produire deux
RÉFLEXIONS TOTALES INTERNES.
Tracez le rayon lumineux.
Quel est l'angle d'incidence ? ____________________________________
On mesure langle dincidence sur la face du triangle dont on observe la première réflexion totale interne.
MANIPULATION 4: Utilisation d'un prisme triangulaire pour la
DISPERSION
(Utilisez la source de lumière blanche pour cette section)
Dessinez le contour de votre prisme triangulaire:
Envoyez un rayon lumineux sur le prisme.
Faire varier l'angle d'incidence jusqu'à ce que la lumière se disperse.
Dessinez la dispersion, avec des crayons de couleurs, en identifiant les couleurs observées.
Quelle couleur se réfracte (est déviée) le plus ?
_________________________________________
Quelle couleur se réfracte le moins ?
_________________________________________
THÉORIE La réfractionIndice de réfraction
Au prochain cours, vous devrez déterminer à la suite d'expériences en laboratoire, l'indice de réfraction dune substance transparente, et ce, par la méthode graphique.Cet indice de réfraction, se trouve à être le taux de variation de la relation entre le sinus de langle dincidence par rapport au sinus de langle de réfraction. Donc, pour établir la relation mathématique entre les angles d'incidence et les angles de réfraction,
vous devez établir la proportionnalité entre les angles et
trouvez la constante reliant la proportionnalité.
Prises des donnéesLes mesures d'angles d'incidence et de réfraction sont prises de plusieurs façons : 1- En projetant des pinceaux vers le centre d'un bloc semi-circulaire.
2- En alignant des épingles tout en regardant à travers le bloc semi-circulaire, et ce, du côté circulaire du bloc.Relation mathématique : INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET i en fonction de INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET r
SHAPE \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "http://galileo.cyberscol.qc.ca/Optique/chap3html/chapitre312.gif" \* MERGEFORMATINET Le graphique ci-contre montre la forme de la courbe obtenue lorsque les angles de réfraction sont mis en relation avec l'angle d'incidence correspondant.
On remarque que pour de petits angles d'incidence, la relation semble affine. C'est à la conclusion à laquelle Kepler arriva: pour de petits angles, le rapport des angles d'incidence sur réfractés est constant. Toutefois ceci n'est plus vrai pour de grands angles d'incidence. Nous ne pouvons retenir cette règle, car elle n'est pas générale à tous angles d'incidence. La courbe se redresse lorsque les sinus des angles sont mis en relation. La fonction sera donc du type y = mx soit:
sin INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET i = pente x sin INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/1/f/0/1f09c25c5247c1eaf121df644ca42f8c.png" \* MERGEFORMATINET r.
En répétant l'expérience avec d'autres substances, on remarque que la pente varie proportionnellement à la réfringence de la substance. On a donc modifié la relation, pour inclure l'indice de réfraction (N)
où N = pente.
L'air est considéré, dans des situations quotidiennes, comme étant le milieu ayant la plus faible réfringence. Théoriquement, ce serait le vide, toutefois, en pratique, le vide n'est rencontré que rarement. Par convention, à l'air est associée un indice de réfraction de 1. Toutes les autres substances auront un indice de réfraction plus élevé.
Lois de la Réfraction
INCLUDEPICTURE "http://galileo.cyberscol.qc.ca/Optique/chap3html/ball.orange.gif" \* MERGEFORMATINET Première loi de la réfraction
Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale se situent sur un même plan.
INCLUDEPICTURE "http://galileo.cyberscol.qc.ca/Optique/chap3html/ball.orange.gif" \* MERGEFORMATINET Deuxième loi de la réfraction (loi de Snell-Descartes):
INCLUDEPICTURE "http://galileo.cyberscol.qc.ca/Optique/chap3html/3_formule5.gif" \* MERGEFORMATINET
0i: angle d'incidence
0r: angle de réfraction
ni: indice de réfraction absolu du milieu traversé par le rayon incident
nr: indice de réfraction absolu du milieu traversé par le rayon réfracté
L'indice de réfraction (du point de vue mathématique)
L'indice de réfraction correspond au facteur de proportionnalité existant entre le sinus de l'angle d'incidence et le sinus de l'angle de réfraction.
L'indice de réfraction est un nombre sans unité où le vide (N = 1) est posé comme ayant la plus faible indice de réfraction. L'indice absolu de réfraction correspond à la réfringence de la substance.
Par exemple: N eau = 1,33 et N verre = 1,50
La réfraction est la déviation de la lumière lorsquelle traverse linterface entre deux milieux transparents de densités optiques différentes.
Exemple :
Dans lillustration ci-dessus, le faisceau incident du laser (1) est dévié dans le bloc de verre (2) et sort parallèlement au faisceau incident (3).
Donc, le faisceau a subit 2 réfractions.
Lindice de réfraction (du point de vue physique)
Lindice de réfraction dun milieu est une mesure de sa densité optique.
Son symbole est n (parfois N dans certains livres) et n>1 car nvide=1.
Voici quelques indices de réfraction de quelques milieux ;
MilieuIndice de réfraction (n)Vide1Air1,003Eau1,33Alcool éthylique1,36Verre, crown1,5 à 1,8Quartz1,46Diamant2,42 à 2,46
En général, on considère nair = nvide = 1
Indice de réfraction et vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans le vide est symbolisée par la lettre c
c=3x108 m/s
La vitesse de la lumière dans un milieu quelconque est symbolisée par la lettre v où v*CJ0OJPJQJ^JaJ0hJO>*CJ(OJPJQJaJ(hr´>*CJ(OJPJQJaJ(#hÑÁhJO>*CJ0OJPJQJaJ0jh?ruUmHnHu'h?ruhr´>*CJOJPJQJ^JaJ!h?ru>*CJOJPJQJ^JaJ#hÑÁhr´>*CJ0OJPJQJaJ0'h?ruhr´>*CJ`OJPJQJ^JaJ` ?AKMYvw?@~úõõõõõõõõõõõõíèèõõèãÞÒÒÒ$7$8$H$a$gdÜ*B*CJOJQJ^JaJmHphÿsH4jhcÍh6ô6CJOJQJU^JaJmHsH+hcÍh6ô6CJOJQJ^JaJmHsH#hcÍh6ô6CJOJQJ^JaJ&h±h±6CJOJQJ]^JaJ h±h±CJOJQJ^JaJh»05CJOJQJ4jhÌ Q5CJOJQJU\^JaJmHnHuhÌ Q5CJ0OJQJ^JaJ0%S&S'S(SÈSÉSÊSæSxTyTT%U&U4UUUUòUóUVCVDVNVVVV÷÷÷òòòêááêáØêáØêáòêáòêáòêh^hgd±Ä^Ägd±
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Un objet est approché dune personne presbyte. La personne voit flou.
1. Dessinez la situation (lil) de cette personne presbyte. (il, rayons, objet, etc
)
2. Loeil presbyte est-il trop ou pas assez convergent ?
___________________________________________
3. En déduire le type de verre correcteur proposé par lophtalmologiste pour corriger la presbytie.
___________________________________________
4. Sur lordonnance, lira-t-on « Nécessité dun verre correcteur de vergence +3 dioptries » ou bien «
Nécessité dun verre correcteur de vergence -3 dioptries » ? Justifier la réponse.
___________________________________________
5. Calculer la distance focale lf de ce verre correcteur.
LES FORMULES MATHÉMATIQUES EN PHYSIQUE OPTIQUE
1) EMBED Equation.3
2) n1 sin è1 = n2 sin è2
3) EMBED Equation.3
4) EMBED Equation.3
5) EMBED Equation.3
6) EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
7) V = f x »
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Longueur donde
Temps en secondes
f = nbre de vibration (crête à crête par exemple)
temps
Quelle onde a la plus grande fréquence si on considère quelles voyagent à la même vitesse? À droite ou à gauche?
f = 6 vibrations = 1vibration = 0,1 Hz
60 sec 10 sec
T = temps écoulé = "t
Nombre de cycle n.cycle
T = 40 secondes = 5 secondes
8 cycles
v = distance parcourue par l onde (m) = d = "s temps écoulé (s) t "t
v = 9 mm = 4,5 mm = 0,0045 m/s
2 sec sec
1. Délimitation du problème? 3. Les calculs?
2. Formules?
4. La réponse à la question.
v = lðf où v est la vitesse de l onde (en m/s)
lð est la longueur d onde (en m)
f est la fréquence (en Hz)
1. Délimitation du problème? 3. Les calculs?
2. Formules?
4. La réponse à la question.
lð
1 nm = 10-9 m
ou 1 x 10-9 m
Plus la longueur d onde est grande, plus la fréquence est petite (réciproque inverse)
Distance verticale entre une crête et un creux : 24 mm
Distance horizontale entre une crête et un creux : 10 mm
La crête A parcours 8 mm en 2 secondes.
A
Bob MacPherson, Wichita, USA
NOM :
Dans ce premier laboratoire de lannée, on vous demande de vous présenter aux 9 postes dobservation en optique pour y relever les phénomènes de propagation de la lumière ou le mode de production de la lumière. Lorsque vous serez de retour à votre poste, on vous demandera didentifier les phénomènes lumineux misent en cause pour chacun des postes.
Obstacles
Écran
Source étendue
NOM :
A : Pour une lumière de longueur donde de 5,5 x 10-7 m.
Source lumineuse
8
35,5 Km ( 22 mi)
Miroir
octogonal
miroirs
35,5 Km ( 22 mi)
4
Observateur
NOM :
Miroir
Objet
Observateur
Miroir après rotation
Miroir avant déplacement
NOM :
Lo est -
NOM :
NOM :
NOM :
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