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Chimie-Physique 5

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PHYSIQUE 5

OPTIQUE











NOTES DE COURS COMPLÉMENTAIRES
+
EXERCICES
+
LABORATOIRE BREF HISTORIQUE : la lumière

L’Homme s’intéresse depuis longtemps au concept de la lumière. Il n’avait qu’à regarder les objets durant le jour pour en apprécier leurs présences. Cette appréciation venait d’une source naturelle; le soleil. Au fil du temps, l’Homme s’est raffiné. On a qu’à penser au fait qu’en 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 l’époque. Alors, on créa par la suite la lampe à graisse d’animale (il y a 17 000 ans); efficace mais éphémère. Ensuite, vint les lampes à l’huile végétale (Antiquité). Les chandelles de cires firent leur apparition au Moyen-Âge. (Cires : Mélange de gras et d’alcool). 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 l’œil, en conclu que les rayons venaient des objets vers l’œil. 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 s’affronter : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire, jusqu’à 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 d’expliquer, entre autre, la formation des ombres nettes d’un 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 l’idée que la lumière n’était pas constituée de particules puisqu’elle devait être une ONDE.
La couleur de la lumière est entièrement déterminée par la longueur de l’onde.
Une onde est une déformation qui se propage, sans qu’il y ait transport de matière. Pour expliquer la propagation de la lumière dans le vide ( absence de matière ), Huygens postule la présence d’un fluide éthéré, d’un éther dans lequel baignait tous les corps de l’univers 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 d’une onde radio.

Il démontra qu’un champ magnétique qui varie en intensité ( à la suite du
mouvement d’une charge électrique, par exemple) engendre une onde capable de transporter de l’énergie, la lumière.



4) L’EFFET 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 l’effet photoélectrique ( électrons arrachés de la surface d’une
plaque de métal par un faisceau de lumière ) qui avait été découvert préalablement par Hertz.

Selon lui, la lumière est composée de petits grains d’énergie appelés
« PHOTONS » . Chacun de ces grains (photons) déplace un électron et disparaît
au moment de l’impact donnant alors toute son énergie à l’électron.

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 d’observation.
Par exemple, un cylindre ressemble à un cercle lorsqu’on le regarde de face ou à un rectangle lorsqu’on 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 l’observe…

Selon Bohr, la production de la lumière est liée au mouvement des électrons sur l’atome. Lorsqu’un électron absorbe de l’énergie, il passe à une couche électronique supérieure :



+
N é é





Lorsque l’électron retourne à sa couche initiale, il réémet l’énergie absorbée (il libère l’énergie) sous forme d’une onde électromagnétique. De la lumière est ainsi créée.


La lumière est donc une onde
 + électromagnétique dont l’énergie
 N é é est transmise de façon discontinue
par « quanta » appelés photons.

Onde énergétique


Plus l’écart entre les couches électroniques en jeu est grand, plus la fréquence de l’onde lumineuse émise est grande. C’est ainsi qu’on peut expliquer l’existence 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 s’inspirant de la synthèse de Bohr, la théorie quantique a montré que la lumière agit comme un ensemble de particules et comme une onde : c’est 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 d’un endroit à un autre dont l’origine est une source d’énergie.

Exemple :

Les perturbations de l’image de gauche sont plus grandes que celle de droite.









Ces perturbations dans l’eau, communément appelées des vagues, sont créées par une source d’énergie (une roche qui frappe les molécules d’eau). Cet impact roche-eau fait que l’énergie cinétique de la roche se transforme en énergie dans l’eau suite à l’impact. 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 d’eau se retrouvent à l’endroit où elles étaient avant l’arrivée 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 qu’on
appelle une vibration.

L’amplitude de l’onde correspond au
déplacement maximal d’un point de
l’onde par rapport à sa position au repos.
La longueur d’onde (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) d’une onde correspond au temps nécessaire à l’onde pour effectuer un cycle complet. Son unité de mesure est la seconde. La période est aussi l’inverse de la fréquence. (T= 1/f)





Exemple : Un pendule fait 8 oscillations complètes
(A-B-A sur l’image) en 40 secondes.





La vitesse d’une onde (v) mesure la distance que l’onde 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 d’une onde dépend de deux facteurs :
Le type d’onde
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 d’une onde peut varier étant donné l’énergie gagnée ou perdue par cette onde due au milieu ambiant.

Type d’ondeMilieuPression (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 d’un bathyscaphe immobile explore un fond marin. Elle envoie une onde sonore voyageant à 1530 m/s vers le plancher océanique et en reçoit l’écho 6 secondes plus tard. À quelle distance du bathyscaphe le fond de l’océan se trouve-t-il?



















Il est également possible de calculer la vitesse d’une onde selon sa longueur d’onde et sa fréquence.









Exemple 2

Sur une plage, on observe que les crêtes de 2 vagues successives sont espacées de 20 m. S’il arrive 10 vagues par minute, quelle sera la vitesse des vagues (en m/s)?















Les catégories d’ondes

On distingue généralement deux catégories d’ondes :
les ondes mécaniques et les ondes électromagnétiques.
Les ondes mécaniques se propagent à l’aide des particules d’un milieu. En effet, c’est la vibration des particules qui composent le milieu où se trouvent ces ondes qui permet à l’énergie de se propager d’une particule à une autre. Les vagues, le son et les tremblements de terre sont des exemples d’ondes mécaniques. Les vagues se propagent à la surface de l’eau. Le son peut se propager dans un solide (un mur), un liquide (l’eau) ou un gaz (l’air). 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 l’intérieur du corps, tandis que les rayons gamma sont utilisés pour soigner certains cancers. La lumière est la seule onde électromagnétique que l’oeil humain peut percevoir.

Toutes les ondes électromagnétiques ont un point en commun: elles peuvent se déplacer dans l’espace en plus de pouvoir se propager dans un milieu composé de particules. Heureusement d’ailleurs, 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 l’eau calme d’un lac. Lorsqu’une 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 qu’à 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 l’amplitude, la longueur d’onde, la fréquence et la vitesse de l’onde.
























Le sommet de la plupart des gratte-ciel oscille lentement. Quelle est la fréquence d’un gratte-ciel qui met 10 secondes à effectuer un mouvement complet de va-et-vient?







Une élève mesure le déplacement d’un point d’une onde entre une crête et un creux. Elle divise ensuite le résultat par deux. Obtient-elle une mesure correcte de l’amplitude de cette onde? Expliquez votre réponse.
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Vrai ou Faux? Si un énoncé est faux, corrigez-le.
La vitesse d’une onde dépend du type d’onde et des caractéristiques du milieu dans lequel elle se propage.
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La vitesse d’une onde dépend de la fréquence et de l’amplitude.
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La vitesse d’une onde mesure la longueur d’onde 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 cœur en hertz?







Devant son réveille-matin, Bob s’exclame : «Je peux te voir, alors pourquoi ne puis-je pas t’entendre?» Expliquez pourquoi Bob ne peut pas entendre l’alarme de son réveille-matin. DÉMO CLOCHE SOUS VIDE

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DÉFI MÉNINGES : D’où vient le bruit de la mer que l’on 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 d’inscrire 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 l’action d’un rayonnement, d’une 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 qu’a cessé l’excitation.

Incandescence
État d’un corps rendu lumineux par chauffage intense ou par une température élevée.

Absorption
Absorption de certaines couleurs de la lumière blanche lorsqu’elle 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 lorsqu’elle 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 lorsqu’elles rencontrent un obstacle ou une ouverture ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d’une onde par les points de l'objet. La diffraction se manifeste par le fait qu'après la rencontre d’un objet, la densité de l'onde n’est 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?
_____________________________________________
Cette source de lumière est si intense qu’il 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 d’autres 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 cœur 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 d’urgenceLaserÉtoileMontre 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 l’œil.

La lumière sous deux formes…….Corps lumineuxCorps éclairésIls produisent de la lumièreIls ne produisent pas de lumière mais sont visibles parce qu’ils 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 :
C’est une source de petite dimension formant une ombre. Exemples : Un arc électrique, une petite ampoule


Source étendue :
C’est une source de grande dimension formant une ombre et une pénombre.
Exemple : Une lampe de verre dépoli


Mais, qu’est-ce que la lumière ?

La lumière désigne les ondes électromagnétiques (associées aux particules élémentaire de la lumière, le photon) visibles par l'œil humain et sa vitesse de propagation dans le vide est d’environ 300 000 000 m/s. La lumière peut être considérée comme un flux de particules énergétiques dénuées de masse, c’est-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)

Qu’est-ce qu’un corps lumineux? Qu’est-ce qu’un corps éclairé?
Qu’est-ce qu’une source ponctuelle? Qu’est-ce qu’une source étendue?
Qu’est-ce qu’une ombre? Qu’est-ce que la pénombre?
Quels sont les facteurs qui pourraient influencer la netteté de l’ombre 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?
Qu’arrivent-ils à l’image si on agrandissait le trou du sténopé?
Un sténopé est placé à 30 cm d’un écran où se forme une image de 8 cm de hauteur. L’objet est placé à 80 cm du sténopé. Quelle est la hauteur de l’objet?
Quelle est la distance écran-sténopé lorsque la hauteur de l’image est de 15 cm alors qu’un objet 3 fois plus petit que l’image est placé à 5 cm du trou?
Quel type de source produit une ombre nette?
Construit un schéma d’une 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 d’ombre et de pénombre.














THÉORIE Les éclipses






1.Éclipse totale : La lune s’interpose entre le soleil et la terre. L’alignement est parfait. (Ombre = éclipse totale) En périphérie (Pénombre = éclipse partielle)




2. Éclipse partielle : La lune s’interpose entre le soleil et la terre. L’alignement n’est pas parfait. (Pénombre = éclipse partielle seulement)


3. Éclipse annulaire : La lune est à son apogée, c’est-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 d’ombre de la terre. La terre agit comme un écran (corps opaque) aux rayons lumineux provenant du soleil. Les régions adjacentes au cône d’ombre 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
L’absorption de la lumière

Voici une liste d’objets : La lune, un satellite, un avion, un clou, la flamme d’un brûleur, une allumette, l’écran d’un 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 n’est pas lumineux?

Une vitre laisse-t-elle passer toute la lumière incidente ?

Quels sont les avantages d’un rayon laser pour étudier le comportement de la lumière?
Comment savez-vous que la lumière voyage dans le vide ?

Qu’entend-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 qu’on peut l’identifier à un point donné ?


Une source lumineuse peut-elle émettre un seul rayon ? Pourquoi?

**15- Un faisceau de lumière provenant d’une 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 l’ouverture et placé à 120 cm de
celle-ci.

**16- Une source lumineuse sphérique de 4 cm de diamètre est placée à 20 cm d’une
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 l’ouverture.

17- Par une belle journée ensoleillée, l’ombre 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 d’un lampadaire.
Quelle est la longueur de l’ombre de Charles si le lampadaire mesure 3m ?

19- Si la distance entre l’objet et l’image produite par un trou sténopéique est de 6 cm,à quelle distance de l’objet est placé le trou sténopéique pour que l’image soit
1/10 de la grandeur de l’objet ?

20- Le rayon orbital de la Lune est d’environ 354 000 Km. Combien de temps met la
lumière à nous parvenir de la Lune ?

21- Quel est le rayon de l’orbite 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 d’un vaisseau spatial
qui serait situé à une année-lumière de la Terre ?

23- L’étoile 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 aujourd’hui à partir
de l’étoile en question ?
Quelle est cette étoile ?

24- En effectuant l’expérience des 2 lanternes imaginée par Galilée pour mesurer la
vitesse de la lumière, quel intervalle de temps les expérimentateurs essayaient-ils d’évaluer sachant que les collines étaient distantes de 200 m ?





























































DÉMONSTRATION Ombre et pénombre

Buts :
Déterminer les conditions afin d’obtenir une ombre la plus nette possible.
Trouver la relation mathématique entre la distance corps opaque-source ponctuelle et l’aire de l’ombre.
Manipulations :
Observer, pour chacun des postes, la qualité de l’ombre et/ou de la pénombre obtenue.
Noter les observations.

Organisation des données :
POSTEOBSERVATIONS
(Qualité de l’ombre et/ou de la pénombre, Grandeur de l’ombre/pénombre, présence d’ombre 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 l’écran

Quand on éloigne l’écranQuand on approche l’écranInfluence 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 qu’il faut se poser lorsqu’on analyse)

Déterminer à l’aide des manipulations précédentes les conditions maximales qui permettent d’obtenir une ombre la plus nette possible.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Tracer un schéma représentant la trajectoire de la lumière frappant un corps opaque à partir d’une source ponctuelle













Tracer un schéma représentant la trajectoire de la lumière frappant un corps opaque à partir d’une source étendue.



















LABORATOIRE Les miroirs plans



PARTIE A : LES LOIS DE LA RÉFLEXION
BUT : Établir une relation entre l’angle d’incidence d’un rayon lumineux et l’angle 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, l’arrière 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 l’angle du rayon
Mesurer les angles incidents et réfléchis.

RAYONSANGLE D’INCIDENCE
(degrés)ANGLE DE RÉFLEXION (degrés)12345
QUESTIONS :

Je suis ce qui détermine la grandeur des angles d’incidence et de réflexion : ___________________________________________

L’angle d’incidence est _________________à l’angle 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 l’angle de réflexion.







PARTIE B : FORMATION DES IMAGES DANS UN MIROIR PLAN


BUT : Déterminer la position d’une image dans un miroir plan par la méthode du parallaxe.

DÉFINITION : PARALLAXE
Une parallaxe est un déplacement de la position apparente d’un corps, par rapport à un autre corps, causé par un changement de position de l’observateur.

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. (C’est le point OBJET).
Avec un deuxième gros crayon marqueur semblable que l’on déplace derrière le miroir, trouver la position pour que l’image de l’objet dans le miroir et le deuxième crayon soit exempt de parallaxe. À ce moment, on aura l’impression que l’image du miroir et le deuxième crayon ne font qu’un.
Mesurer la distance objet-miroir (Do)
Mesurer la distance image-miroir (Di)
Recommencer les manipulations en changeant l’objet (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 l’image lorsque l’objet n’est pas en face du miroir?
_____________________________________________________

Trouver la position de l’image pour les objets suivants :





 _______________________________________





PARTIE C : FORMATION DES IMAGES DANS UN MIROIR PLAN

BUT : Déterminer la position d’une 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 l’aiguille objet.
En regardant uniquement l’image obtenue de l’aiguille dans le miroir, placer une seconde aiguille de façon à superposer cette deuxième aiguille et l’image de la première.
Ajouter une troisième aiguille qui viendra se superposer aux deux autres.
Relier les positions obtenues par la deuxième et troisième aiguille jusqu’au miroir. (C’est une ligne de visée)
Refaire deux autres lignes de visée en changeant l’angle d’observation de l’aiguille image dans le miroir.
Prolonger les 3 lignes de visée jusqu’à leur point de rencontre. (C’est la position de l’image de l’aiguille.)
Compléter la trajectoire des rayons lumineux partant de l’objet pour chaque ligne de visée.
Faire une normale pour chaque ligne de visée.
Mesurer les angles d’incidence 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 D’INCIDENCE
(degrés)ANGLE DE RÉFLEXION (degrés)123

DISTANCE OBJET-MIROIR (cm)DISTANCE IMAGE-MIROIR (cm)

QUESTIONS :

1- Que remarquez-vous lorsque vous observez les mesures d’angle d’incidence 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 d’onde minimale des rayons infrarouges?



Qu’obtiendrez-vous en multipliant la fréquence d’une couleur de la bande de la lumière visible par sa longueur d’onde?



Pour chaque objet, indiquez s’il constitue un milieu opaque, translucide ou transparent.
OBJETMILIEUUn vase en terre cuiteUne boîte de cartonUne feuille de papier rougeUn pare-brise d’autoDe la crème de champignonsLa surface vitrée d’un écran d’ordinateurUn miroir de salle d’essayageUn tissu de soieUn lingot d’orL’air ambiantUne fenêtre givréeUn trou dans une chaussette de laine
Lorsque la lumière passe d’un milieu transparent à un milieu opaque, peut-elle être réfractée?




Un téléphone cellulaire émet à la fréquence de 854 MHz. À quel type d’ondes électromagnétiques cette fréquence appartient-elle?



Quels comportements la lumière peut-elle avoir lorsqu’elle touche la surface qui sépare deux milieux?

À quelle catégorie d’ondes les éléments suivants appartiennent-ils?
ÉlémentOndes mécaniquesOndes électromagnétiquesUn lecteur de code-barresLe tonnerreLa foudreUn arc-en-cielUn ouraganL’énergie thermiqueLes ultrasons
Les ultraviolets peuvent être subdivisés entre trois groupes : les UVA, dont les longueurs d’onde vont de 400 nm à 320 nm, les UVB, qui se situent entre 320 nm et 280 nm, et les UVC, qui peuvent aller jusqu’à 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 d’onde de 3 m?



Quel groupe d’ondes électromagnétiques permet d’effectuer chacune des actions suivantes?

ActionsGroupe d’ondesDécongeler ou faire cuire un pouletVoir à l’intérieur du corpsLire un livreMaintenir au chaud les poussinsSoigner certains cancersConverser avec un téléphone cellulairePourquoi la lumière est-elle réfléchie lorsqu’elle frappe une feuille de papier d’aluminium polie?




Quelles ondes électromagnétiques ont la plus grande longueur d’onde?



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 qu’il 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 d’un 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 d’onde de ce tremblement de terre ?










Les ultrasons sont des ondes sonores de haute fréquence. Ils se propagent dans l’eau à la vitesse de 1,50 km/s. Si la longueur d’onde d’une onde ultrasonique dans l’eau est identique à celle d’une 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

L’expérience de Michelson-Morley (1926) :

L’expérience est effectuée à partir d’un miroir rotatif octogonal.
Un rayon lumineux est émis d’une 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.
L’observateur perçoit maintenant la lumière.




 1 7
 2 6

 3 5




Lorsque le miroir ne bouge pas, l’observateur perçoit une image fixe de la source.
En faisant tourner le miroir octogonal, l’observateur perçoit maintenant des éclairs.

Lorsqu’on augmente la vitesse de rotation, on atteint une vitesse pour laquelle l’image 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

Aujourd’hui, avec l’apport 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 d’un miroir plan


Quelle est la définition d’un 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 l’aide 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 l’arrière du miroir et les deux extrémités.

Préparation de l’expérience :
Alignez le bord de la feuille blanche avec le bord de la table.
Placez l’orbite de l’œil sur la feuille. Indiquez la position.
NE BOUGEZ PLUS.

Expérience :
Placez le pied de l’épingle de la façon suivante :
Champ de vision du côté droit du miroir :

Regardez le plus à droite possible dans le miroir.
Placez le pied d’une 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
s’effectue normalement.









L’objet A est placé devant un miroir plan. Situez son image et déterminez à l’aide 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 l’image 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 l’observateur 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 d’un miroir plan vertical de 2 m de haut.
Quelle portion minimale du miroir lui permet de se voir au complet ?
Tracez un schéma à l’échelle.










7- EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES, VOLUME QUANTUM P. 45-47 EXERCICES Réflexion et champ de vision

Complétez les phrases suivantes :

La lumière parvient le plus souvent à notre œil après avoir été __________ sur une surface.

La lumière qui parvient à notre œil 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 __________.

L’image formée par un miroir plan ne peut pas être captée sur un écran.
C’est une image __________.

L’image formée par un miroir plan est située __________ le miroir.

H) L’image formée par un miroir plan est symétrique de l’objet par rapport
au plan du miroir et sa distance du miroir est la même que celle de _____

L’angle d’incidence est celui que fait le ____________________ avec
la _______________.

Les deux lois de la réflexion peuvent s’énoncer comme suit :

*__________________________________________________________

*__________________________________________________________



Complétez le schéma ci-contre en indiquant :

la position de l’image,
le rayon incident,
le rayon réfléchi,
le point d’incidence,
l’angle d’incidence,
l’angle de réflexion.


Le schéma ci-dessous montre un observateur et un objet placés devant un miroir plan. Tracez l’image ainsi que les rayons lumineux qui permettent à l’observateur de voir cette image dans le miroir.













L’angle formé entre un rayon incident et le miroir est de 38 o. Quel sera l’angle 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 d’incidence de 45 o.
Le miroir pivote de 15 o vers le rayon incident. ( Faire un schéma )

Quel est le nouvel angle d’incidence ?
Quelle est la déviation de l’angle de réflexion ?

















Le schéma suivant montre le tuyau d’un périscope rudimentaire.





Positionnez sur le schéma les deux miroirs plans qui permettront à
l’observateur de voir le voilier et tracez la marche d’au moins deux rayons lumineux.

L’image 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 l’observatrice pourra voir l’image 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 l’angle 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 l’image en traçant correctement et complètement son champ de vision.











On a indiqué dans le schéma ci-dessous la position du miroir après qu’on l’ait
pivoté de 35 o dans le sens horaire.

Trace la nouvelle normale, puis détermine l’angle d’incidence et l’angle
de réflexion.

Trace ensuite le rayon réfléchi.





 20o




 Miroir avant rotation
35o


EXERCICES Vérifions nos acquis

Quelles thèses, diamétralement opposées, s’affrontaient dans l’Antiquité au sujet de la perception visuelle ?

Distinguez réflexion diffuse et réflexion spéculaire.

Qu’est-ce qu’un éclairage indirect ?

Donnez des exemples d’éclairage direct et indirect à la maison ou à l’école.

Décrivez comment les miroirs plans servent à agrandir une pièce.

Décrivez à l’aide d’un schéma l’utilisation d’un rétroviseur dans un véhicule.

Pourquoi un miroir courbe est-il parfois utilisé du côté du passager ?

Pourquoi n’est-il pas recommandé de n’utiliser que des miroirs courbes dans une voiture ?

Pourquoi l’application 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 s’agit d’une 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 d’un miroir plan avec votre lampe de poche. Le faisceau lumineux incident fait un angle de 30° avec la normale du miroir. Quel est l’angle de réflexion ?

**13- Comment expliquez-vous qu’un 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 d’un 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 œil droit de votre épaule droite est
de 17 cm. Tracez un schéma indiquant la position de votre œil, du miroir, de
votre épaule et de son image. Précisez la trajectoire d’un 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 l’un des miroirs, quel sera l’angle 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 d’une droite parallèle au plan d’un 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 l’image du chat ?

20- Cette image change-t-elle de position selon qu’elle est observée par Alexandre ou
par Stéphanie ?

21- Quel est l’angle d’incidence d’un rayon chat miroir Stéphanie ?

22- Quel est l’angle de réflexion d’un 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 (l’arbre) placé à 8 cm d’un miroir plan.












25- Si l’on déplace le miroir de 3 cm vers la gauche, quelle sera la distance entre
l’image et la nouvelle position du miroir ?









LABORATOIRE Miroirs courbes

PARTIE A (MIROIR CONCAVE)
Manipulations :

Placez votre miroir concave, décentré vers la droite, dans l’espace ci-dessous.

Tracez la forme du miroir.















Avec le laser, envoyez un rayon au centre du miroir afin qu’il se réfléchisse sur lui-même. Dessinez-le. Ajoutez vos flèches sur vos rayons.


C’EST L’AXE PRINCIPAL DU MIROIR.

Avec le laser, envoyez deux autres rayons parallèles à l’axe principal.
Dessinez-les ainsi que leurs réflexions.

Qu’ont en commun les rayons réfléchis ?

________________________________________________________


Ce point de rencontre se nomme : FOYER. Identifiez ce point par F.


Donc, un rayon parallèle à l’axe principal d’un 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 D’UN MIROIR SE RÉFLÉCHIT : ______________________________________________

PARTIE B (MIROIR CONCAVE)
Placez et tracez votre miroir ci-dessous. Dessinez l’axe principal.













Envoyez un rayon parallèle à l’axe principal.
Tracez ce rayon incident ainsi que sa réflexion.
TRACEz LA NORMALE.

LE POINT DE RENCONTRE ENTRE LA NORMALE ET L’AXE PRINCIPAL SE NOMME : LE CENTRE DE COURBURE DU MIROIR.

Répétez la manipulation en envoyant un autre rayon incident parallèle à l’axe. Tracez de nouveau la normale de ce rayon.

Qu’observez-vous ?
________________________________________________________

Donc, si la face d’un miroir est une courbe, la normale correspond au
___________ du cercle qui est toujours perpendiculaire à la tangente tracée au point d’incidence.


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 qu’il se réfléchisse sur lui-même. Tracez-le.

Cette droite se nomme : ____________________________________

Envoyez deux autres rayons parallèles à l’axe 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 l’arrière 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 l’axe 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 l’axe 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 l’équation par Lf :

Lf ( Di + Do ) = DiDo
Lf Lf

Di + Do = DiDo
Lf

Diviser l’équation 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 lorsqu’elles sont prises en avant du miroir.
Les distances, Do et Di, sont négatives lorsqu’elles 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 l’image est droite et virtuelle.
La hauteur image ( Hi ) est négative si l’image est renversée et réelle.

La hauteur objet ( Ho ) est toujours positive.

La distance objet-foyer (lo) est positive si l’objet est après le foyer.

La distance image-foyer (li) est positive si l’image 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 l’image et la hauteur de l’objet.

Gr = Hauteur de l’image = Hi
Hauteur de l’objet Ho


- Quand l’image est droite, le grandissement est > 0, donc +
( Convention )
- Quand l’image 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, l’image étant droite, le Grandissement ( Gr )
Ho Do doit être positif.

Gr = Hi = Di
Ho Do

En regardant l’illustration correctement, on s’aperçoit que la valeur de Di devrait être négative puisque l’image est formée à partir des prolongements des rayons.

Pour se conformer à la convention des signes, on utilisera l’équation suivante.

Gr = Hi = - Di
Ho Do







Caractéristiques de l’image selon la position de l’objet :

Position
de
l’objetPosition
de
l’imageGrandeur
de
l’imageSens
de
l’imageTypes
d’image
à l’infini

F
Hi < Ho
Renversée
Réelle
De l’infini au C

du F au C
Hi < Ho
Renversée
Réelle

à C

C
Hi = Ho
Renversée
Réelle
du C au F

du C à l’infini
Hi > Ho
Renversée
Réelle
au F

Infini
Hi > Ho
RenverséeRéelle
ou
absence d’image
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 l’image. 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 d’un miroir concave ayant une distance focale de
15 cm. Quelle est la hauteur de l’objet si l’image 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. L’image produite est renversée. La distance focale du miroir est de 20 cm. Quelle est la hauteur de l’image ?
Quel est le grandissement ?

L’image réelle d’une bougie est à 30 cm du sommet d’un 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 l’image virtuelle par rapport au foyer si l’objet se trouve
à 50 cm du foyer.

la position de l’image virtuelle par rapport au miroir pour la même position de l’objet.

le grandissement.

On place un objet à 5 cm d’un miroir concave de 10 cm de distance focale.
Quelles sont les caractéristiques de l’image ?
Quelle est la distance image-miroir ?
Quel est le grandissement ?

On recueille une image nette à 12 cm d’un miroir concave de 16 cm de centre
de courbure. Où doit-on placer l’objet ?

Quelle est la distance focale d’un miroir sachant qu’un objet placé à 60 cm
donne une image réelle à 30 cm du miroir ?

Trouvez la position de l’image d’un 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
l’image d’un objet placé à 20 cm du miroir.

Un miroir convexe a un rayon de 40 cm. Déterminez la position de l’image
virtuelle si l’objet se trouve à 30 cm du miroir.

Donnez deux façons de tracer une normale à un point d’un 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 d’un miroir concave.
Sachant que l’image obtenue est virtuelle et 3 fois plus grande que l’objet, 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, l’image 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 l’enseignant


Une bougie est placée au-delà du foyer principal d’un miroir concave. Décrivez le type d’image 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 l’objet?
 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 d’une voiture doivent-ils être munis de réflecteurs convergents?
 SHAPE \* MERGEFORMAT 



À l’aide d’un schéma expliquez pourquoi un miroir concave de poche renvoie une image agrandie de votre visage?
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
Le réflecteur d’une 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 l’on veut que la lampe de poche projette un faisceau à rayons parallèles?






À quel endroit se formera l’image d’une étoile observée à l’aide d’un 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 d’un miroir concave dont la distance focale est de 10 cm. Décrivez l’image formée en fonction de type, de position, de hauteur et de grandissement.
 SHAPE \* MERGEFORMAT 







La bougie de l’exercice numéro 9 est déplacée à 6 cm du miroir. Décrivez l’image obtenue?











Vous captez, à 16 cm d’un miroir concave, l’image réelle d’un objet très éloigné. Vous rapprochez cet objet et vous le placez à 4 cm du miroir. Si l’objet mesure 10 cm, quelle sera la hauteur de l’image obtenue? Quel sera le grandissement?














On place une bougie ayant 5 cm de hauteur à 12 cm du foyer d’un miroir parabolique concave. La distance focale du miroir est de 4 cm. Quelle sera la position de l’image formée?
 SHAPE \* MERGEFORMAT 
À quelle distance d’un 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 d’un 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 ) d’un 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 l’aide d’un écran, trouver l’image de la source éloignée la plus nette
possible.
Mesurer la distance entre l’image et le miroir concave. C’est le lf.

Relation entre Hi et lo et les caractéristiques des images :

Installer le banc d’optique 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 l’écran, trouver l’image de la source.
Noter la distance image-miroir ( Di )
Noter la hauteur de l’image obtenue. ( Hi )
Noter la nature de l’image ( Réelle ou virtuelle )
Noter le sens de l’image ( 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 d’une voiture doivent-ils être munis de réflecteurs convergents ?

33- À l’aide d’un schéma, expliquez pourquoi un miroir concave de poche renvoie une
image agrandie de votre visage.

34- Le réflecteur d’une 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 l’on veut que la lampe projette un faisceau à rayons parallèles ?

35- À quel endroit se formera l’image d’une étoile observée à l’aide d’un 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 d’un miroir concave dont la
distance focale est de 10 cm. Décrivez l’image formée en fonction du type,
de position, de hauteur et de grandissement.

37- La bougie de l’exercice précédent est déplacée à 6 cm du miroir. Décrivez l’image.

38- Vous captez, à 16 cm d’un miroir concave, l’image réelle d’un objet très éloigné.
Vous rapprochez cet objet et vous le placez à 4 cm du miroir. Si l’objet mesure
10 cm, quelle sera la hauteur de l’image obtenue ? Quel sera le grandissement ?

39- On place une bougie ayant 5 cm de haut à 12 cm du foyer d’un miroir concave.
La distance focale du miroir est de 4 cm. Quelle sera la position de l’image formée?

40- À quelle distance d’un 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.
Qu’observe-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 lorsqu’ils 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 d’incidence de 10o. Tracez la trajectoire complète de ce rayon.
Déplacez votre rayon incident (I2) afin de l'éloigner de la normale, en augmentant l’angle d’incidence, 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 l’angle de 20o. Que s’est-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? __________________________

Qu’arrive-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 l’angle d’incidence 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 d’une 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 l’angle d’incidence par rapport au sinus de l’angle 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 données  Les 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 lorsqu’elle traverse l’interface entre deux milieux transparents de densités optiques différentes.






Exemple :















Dans l’illustration 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.

L’indice de réfraction (du point de vue physique)

L’indice de réfraction d’un 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^JaJ0hŒJO>*CJ(OJPJQJaJ(h‹r´>*CJ(OJPJQJaJ(#hÑÁhŒJO>*CJ0OJPJQJaJ0jh?ruUmHnHu'h?ruh‹r´>*CJOJPJQJ^JaJ!h?ru>*CJOJPJQJ^JaJ#hÑÁh‹r´>*CJ0OJPJQJaJ0'h?ruh‹r´>*CJ`OJPJQJ^JaJ`    ?AKMYvw? @ ~úõõõõõõõõõõõõíèèõõèãÞÒÒÒ $7$8$H$a$gdÜ*B*CJOJQJ^JaJmH phÿsH 4jhcÍh›6ô6CJOJQJU^JaJmH sH +hcÍh›6ô6CJOJQJ^JaJmH sH #hcÍh›6ô6CJOJQJ^JaJ&hœ±hœ±6CJOJQJ]^JaJ hœ±hœ±CJOJQJ^JaJh»05CJOJQJ4jhÌ Q5CJOJQJU\^JaJmHnHuhÌ Q5CJ0OJQJ^JaJ0%S&S'S(SÈSÉSÊSæSxTyT˜T%U&U4UˆU‰U”UòUóUVCVDVNVV‘VœV÷÷÷òòòêááêáØêáØêáòêáòêáòê„h^„hgdœ±„Ä^„Ägdœ±
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Un objet est approché d’une personne presbyte. La personne voit flou.
1. Dessinez la situation (l’œil) de cette personne presbyte. (œil, rayons, objet, etc…)















2. L’oeil presbyte est-il trop ou pas assez convergent ?
___________________________________________
3. En déduire le type de verre correcteur proposé par l’ophtalmologiste pour corriger la presbytie.
___________________________________________
4. Sur l’ordonnance, lira-t-on « Nécessité d’un verre correcteur de vergence +3 dioptries » ou bien «
Nécessité d’un 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 d’onde



Temps en secondes

f = nbre de vibration (crête à crête par exemple)
temps

Quelle onde a la plus grande fréquence si on considère qu’elles 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 l’année, on vous demande de vous présenter aux 9 postes d’observation 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 d’identifier les phénomènes lumineux misent en cause pour chacun des postes.


Obstacles

Écran

Source étendue

NOM :




A : Pour une lumière de longueur d’onde 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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