Transcript Optique1 - Université de Mons
Travaux Pratiques de Physique
Optique 1 : optique géométrique Service de Physique Biomédicale Université de Mons
Plan
Rappel Théorique Réflexion Réfraction Réflexion totale Manipulation Miroir / Lame à faces parallèles / Prisme Précaution d’emploi et astuces.
Rappels Théoriques
1.
2.
Principe de l’optique géométrique : La lumière se propage sous forme de rayons lumineux Un rayon lumineux se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent
Rappels Théoriques
Réflexion de la lumière : Angle d’incidence (i 1 ) = angle de réflexion (i 2 ) Attention les angles i 1 et i 2 sont mesurés par rapport à la normale au miroir!
Rappels Théoriques
Rayon réfléchi
i i
Rayon incident
a
Que vaut par rapport l’angle incident à l’angle
â
?
î
a
=
i + i = 2 i i
=
a
/ 2 L’angle incident vaut la moitié de l’angle formé par les rayons réfléchi et incident
Rappels Théoriques
Réfraction de la lumière : Quand un rayon lumineux passe d’un milieu 1 à un milieu 2, il est dévié.
milieu 2 milieu 1 i normale r
i
réfraction.
n
1 sin
n
est l’angle d’incidence et
r
2 sin est appelé l’angle de
Rappels Théoriques
Réfraction de la lumière : n 1 est appelé l’indice de réfraction du milieu et n la lumière dans le milieu : 2 l’indice de réfraction du milieu 2. Ils dépendent de la vitesse de
n i
c v i
(
i
1, 2)
[valeur sans unité !] c est la vitesse de la lumière dans le vide (c=3 10 8 m/s) et v i est la vitesse de la lumière dans le milieu i.
Comme v i
Rappels Théoriques
Déviation de la lumière par un prisme : Newton (encore lui!) a montré que la lumière blanche était décomposée en ses différentes composantes colorées par un prisme En effet, l’indice de réfraction d’un matériau varie légèrement avec la couleur de la lumière, Le rouge est moins dévié que le bleu.
Autre exemple de ce phénomène de dispersion, l’arc-en-ciel
Rappels Théoriques
Rappels Théoriques
Réflexion totale : Lorsqu’on passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n 1 >n 2 ), on peut assister au phénomène de réflexion totale.
n 1 i crit i Faisceau complètement réfléchi Au delà d’un certain angle d’incidence, appelé i critique , il n’y a plus de rayon réfracté, tout le rayon incident est réfléchi => réflexion n 2 r r crit =90 °
n
1 totale sin sin
n
2
n
2
i crit
n
2
n
1 arcsin
n
1
Rappels Théoriques
Réflexion totale : Applications du phénomène de réflexion totale : fibres optiques « emprisonnant » un faisceau lumineux, utilisées pour les télécommunications.
Endoscopie médicale.
Manipulation
Plan de travail : - Laser + lentille divergente - Plateau + Feuille de papier Matériel optique (miroir, prisme, lame à face parallèle)
Manipulation
Réflexion de la lumière : (1) Vérifier la loi de la réflexion avec le GRAND miroir (2) Attention, les angles sont mesurés par rapport à la NORMALE au miroir
Manipulation
Lame à faces parallèles : On envoie un rayon lumineux sur un parallélépipède de verre.
Le rayon subit deux réfractions, en passant de l’air au verre, puis en passant du verre à l’air.
Il est simplement translaté d’une distance t.
2 ème réfraction 1 ère réfraction
Manipulation
Lame à faces parallèles : Calculons la distance t ! n(verre)=1.5
sin
i
cos
t
e ES ES
1 ère réfraction
i-r Q R
2 ème réfraction e
e
sin cos
i
r
avec
r
arcsin 1 sin
n
Avec i = 20° et e = 3cm, r = 13.2° et t = 3.6mm [exercice n°5 du syllabus de TP]
Manipulation
Lame à faces parallèles : Vérifier la loi de la réfraction avec le rayon incident et le rayon ES.
En déduire l’indice de réfraction du verre.
milieu 2 normale milieu 1 i Réfraction étudiée r
n
1 sin
n
2 sin
Manipulation
Lame à faces parallèles : Vérifier la loi de la réfraction avec le rayon incident et le rayon ES.
En déduire l’indice de réfraction du verre.
milieu 2 4 normale milieu 1 i r 1 3 2
n
1 sin
n
2 sin
Manipulation
Déviation de la lumière par un prisme : On peut utiliser l’évolution de d en fonction de i pour calculer l’indice de réfraction n du matériau constituant le prisme.
d d MIN i
Manipulation
Déviation de la lumière par un prisme : On peut utiliser l’évolution de d en fonction de i pour calculer l’indice de réfraction n du matériau constituant le prisme.
d
n
sin
A
d
MIN
2 sin d MIN i
Manipulation
Déviation de la lumière par un prisme : En pratique, on fait varier i, on mesure d, on fait le graphe d fonction de i et on en déduit d MIN .
d en 2 1 3 d MIN i Connaissant A, on calcule n :
n
sin
A
d
MIN
2 sin
Manipulation : Matériel
Utilisation des lasers : Attention, on utilise des lasers => ce ne sont pas des jouets , ils peuvent être dangereux pour les yeux (et le reste).
Les lasers sont fragiles (et coûteux) => les manipuler avec soin!
Quand le laser est allumé, il ne faut pas l’éteindre avant la fin du laboratoire !
Ne pas bouger les lasers : bouger la lentille divergente pour mettre le faisceau à niveau
Résumé
1.
2.
3.
Vous allez vérifier la loi de réflexion.
En étudiant la réfraction par une lame de verre, vous déterminez n(verre) pour différents angles d’incidence.
Vous travaillez ensuite sur la déviation d’un rayon lumineux par un prisme. Après avoir fait le graphe d en fonction de i, vous calculez n(verre).
d d MIN i