Université Côte d'azur

UE PHYSIQUE S2 : Optique

Code de l'ECUE : SPUP20

PORTAIL SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Milieux dilués et optique
Campus Valrose
Licence 1
Semestre pair
Français

PRESENTATION

Le cours d'optique traite de la lumière, son comportement et ses propriétés, au travers de l'étude de l'optique géométrique (formation d'images) et de l'optique ondulatoire (phénomènes interferentiels).

Ce cours établit les bases de la propagation du rayonnement lumineux dans l'approximation de l'optique géométrique puis l'approximation de Gauss qui permettent un calcul simple des positions des images dans tous les systèmes optiques. L'objectif de cette partie est de vous donner les bases d'optique qui vous permettront de comprendre comment fonctionnent une lunette astronomique, un télescope, ou tout autre système optique complexe.

L’optique géométrique étant mise en défaut pour expliquer un certains nombre d’effets physiques relatifs à l’interaction de la lumière avec la matière, les bases des phénomènes interferentiels et diffractifs seront ensuite étudiés et mis en relation avec la partie précédente. 

Des travaux pratiques illustreront différents éléments pertinents pour une compréhension renforcée par une approche expérimentale. 

Le cours est composé des chapitres suivants: 

  1. La lumière et l'optique
  2. Principe de Fermat et lois de Snell-Descartes
  3. Formation des images
  4. La relation de conjugaison
  5. La vision humaine
  6. Etude des instruments d'optique
  7. Optique ondulatoire
  8. Synthèse et ouverture

Responsable(s) du cours

, Patrice Martinez

Présentiel

PREREQUIS

Avant le début du cours, je dois ...
  • Manifester une curiosité naturelle pour les sciences.

OBJECTIFS

A la fin de ce cours, je devrais être capable de...
  • Comprendre la nature, les propriétés et les modèles de description de la lumière.
  • Comprendre la formation des images (oeil et instruments d'optique).
  • Maitriser les notions fondamentales de l'optique géométrique et ondulatoire.
  • Compréhension et interprétation physique des phénomènes d'interférences et de diffraction.

CONTENU

  • Présentation de l’UE, introduction sur la lumière et rappels historiques, caractéristiques et théorie de la lumière, introduction aux ondes électromagnétiques, sources et récepteurs de lumière, mise en perspec- tive de l’optique géométrique et ondulatoire, présentation du principe fondamental de l’optique géométrique.

  • L’objectif du cours est l’étude de la trajectoire d’un rayon lumineux à la rencontre d’une interface. Le cours présente les lois essentielles en optique géométrique: chemin optique, principe de Fermat, lois de Snell-Descartes, principe du retour inverse de la lumière, approximation des petits angles, et également discutera de la diffusion de la lumière. La compréhension et l’interprétation des lois de Snell-Descartes est essentielle, ainsi que la maitrise des constructions de Descartes pour effectuer des constructions géométriques simples. Ce chapitre permet de comprendre l’effet sur la propagation d’un rayon lumineux d’une surface séparant deux milieux différents. Dans le cadre de l’optique géométrique, le rayon se sépare en un rayon réfléchi et un rayon transmis obéissant aux lois de Snell-Descartes qui découlent d’un principe général de la physique appelé le principe de Fermat. Des exemples d’applications et explications de quelques phénomènes lumineux seront ensuite discutés.

  • L’objectif du cours précédent portait sur l’étude de la trajectoire d’un rayon lumineux à la rencontre d’une interface. Plusieurs principes de base de l’optique géométrique ont été proposés pour décrire la propagation d’un rayon lumineux unique, provenant d’une source ponctuelle (il s’agit ici d’une simplification), dans le vide ou dans un milieu d’indice de réfraction donné. Dans la réalité, nous sommes en présence d’objet/sources dit(e)s étendu(e)s, où un rayon unique ne permet pas de décrire rigoureusement la traversée de milieux d’indice différents. Un objet étendu peut être décrit comme étant composé de sources ponctuelles élémentaires, et la propagation de plusieurs rayons à la traversée de milieux d’indice différents vont constituer une image de l’objet. La notion de formation d’image va donc être abordée, ainsi que de nombreuses conventions qui seront nécessaires aux chapitres suivants.

  • Les conditions du stigmatisme indiquent que tous les rayons issus d’un point objet émergent en un point image, appelé image conjuguée du point objet. Les points objet et image sont alors dit conjugués l’un de l’autre. Dans ces conditions il existe une formule mathématique dite relation de conjugaison qui relie la position d’un objet à celle de son image donnée par un système optique particulier. L’objectif du cours est, à partir de la seconde loi de Snell-Descartes, de déterminer la relation de conjugaison propre à différents éléments optiques élémentaires. Les propriétés et caractéristiques optique en terme de formation d’image de ces différents systèmes élémentaires seront étudiées. Ce cours couvrira les dioptres sphériques, les lentilles minces et les miroirs sphériques. Cependant, le cas du miroir sphérique sera traité séparément dans un document complémentaire mis en ligne.

  • L’oeil est l’organe de la vision qui permet à un être vivant de capter la lumière pour ensuite l’analyser et interagir avec son environnement. Il transforme les influx lumineux en influx nerveux transmis au cerveau par le biais de voies optiques. Il existe dans le monde animal plus de 40 types d’organes visuels, des plus simples aux plus complexes. L’oeil humain est une association complexe de dioptre séparés par des milieux d’indices différents et peut être étudié dans le cadre d’un modèle dit "modèle réduit de l’oeil" permettant de le simplifier à un système se rapprochant d’un montage classique d’optique. L’oeil est doué d’un pouvoir d’accommodation par modification de la distance focale du système optique équivalent permettant de former une image nette d’un objet sur la rétine, quelque soit la position de l’objet et sans modification de position des éléments optiques de le constituant. Dans ce chapitre, nous allons décrire le principe de fonctionnement d’un oeil humain "normal" (i.e., sans défauts visuels) pour en comprendre le mécanisme optique de formation d’image, et discuterons des défauts ou anomalies visuelles (myopie, hypermétropie, etc.) et des moyens de les corriger.

  • Un instrument d’optique est un dispositif permettant de former soit une image à l’infini, pour que l’oeil puisse la voir sans avoir à accommoder, soit une image réelle qui peut être visualisée sur un écran ou enregistrée sur un capteur. Chaque instrument est conçu dans un but précis, par exemple: un microscope forme d’un objet petit et rapproché une image à l’infini qui apparaît plus grande que l’objet vu à l’oeil nu; la lunette astronomique et la lunette terrestre forment d’objets lointains des images à l’infini et agrandies; les télescopes forment des images réelles d’objets extrêmement distants. La variété des instruments d’optique se traduit par une complexité dans la description de leurs caractéristiques et fonctionnalités. Ce chapitre se veut donc généraliste et va donc survoler quelques notions fondamentales et générales dans un cadre applicatif restreint aux instruments classiques.

  • L’optique géométrique est mise en défaut pour expliquer un certains nombre d’effets physiques relatifs à l’interaction de la lumière avec la matière, en particulier les phénomènes de diffraction et d’interférences. Dans un instrument d’optique, la lumière est déviée de sa direction incidente par les composants optiques que nous avons étudiés (lentilles, miroirs, etc.) mais également par d’autres obstacles (diaphragmes, montures mécaniques, etc.). A la rencontre d’un obstacle ou à la traversée d’une ouverture, la lumière se propage dans des directions différentes de celles dictées par l’optique géométrique: c’est le phénomène de diffraction. La distribution de lumière sur un écran placé après une ouverture ou un obstacle est appelée figure de diffraction. Les effets en questions sont d’autant plus marqués que la taille des objets se rapprochent de la dimension de la longueur d’onde de l’onde considérée. Les effets dont il est question ici sont toujours présents dans les instruments d’optique et ne peuvent être traités par l’optique géométrique (qui se restreint à étudier la formation de l’image et non la distribution de l’intensité) mais nécessite un traitement propre à l’optique ondulatoire. Dans la même veine, on appelle interférences le phénomène physique qui, de deux rayonnements lumineux d’intensité I1 et I2, donne un rayonnement d’intensité I0 qui n’est pas égale à la somme des intensités incidentes individuelles. Sous certaines conditions, la superposition de deux rayonnements lumineux peut donner de l’obscurité, ou un rayonnement plus intense que la somme des intensités individuelles. L’énergie lumineuse est conservée mais redistribuée spatiallement, c’est le phénomène d’interférence.

    • Etude du microscope
    • Focométrie 
    • Diffraction 
    • Mesure de la vitesse de la lumière
  • Aucune description
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Ce syllabus n’a aucune valeur contractuelle. Son contenu est susceptible d’évoluer en cours d’année : soyez attentifs aux dernières modifications.