Propagation rectiligne de la lumière

Introduction

L’optique est la partie de la physique qui traite la propagation et le comportement de la lumière.

L’optique peut être divisée en deux parties :

l’optique géométrique qui traite essentiellement le problème de la formation d’images données par les miroirs, les lentilles et quelques instruments d’optique. La théorie géométrique est basée sur les seules lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière sans se préoccuper de sa nature physique.
l’optique ondulatoire ou optique physique qui étudie les phénomènes d’interférence et de diffraction de la lumière caractéristiques de sa nature ondulatoire

Dans ce chapitre nous allons nous limiter à l’optique géométrique.

I. Les sources et récepteurs de lumière

I.1 Les conditions de visibilités d’un objet

Dans l’obscurité, on ne voit pas. les objets ne sont visibles que lorsqu’ils sont éclairés. La lumière est indispensable à la vision.

I.2 les types de sources lumineuses

Il existe deux types de sources lumineuses :

les sources lumineuses primaires
les sources lumineuses secondaires ou apparentes

I.2.1 Les sources primaires

On appelle sources primaires, les sources lumineuses qui produisent la lumière qu’elles émettent. On peut les classer en deux catégories : les sources primaires naturelles (soleil, étoiles, foudre, feu etc.). et les sources primaires artificielle (filament incandescence, les lampes à gaz, les lampes à vapeur…).

I.2.2 les sources secondaires ou apparentes

On appelle sources secondaires ou apparentes de lumière, tout objet qui ne produit pas la lumière par lui-même, mais qui renvoie une partie de la lumière reçue d’autres sources.

Exemples la lune, la terre, les autres planètes

Ils ne produisent pas la lumière mais diffusent une partie de celle qu’ils reçoivent du soleil.

I.3 les récepteurs de lumière

Certains objets peuvent fixer, enregistrer l’information transportée par la lumière, d’autres peuvent même la mesurer ou la transformer en énergie électrique : ce sont des récepteur de lumière.

- Définition : un récepteur de lumière est un corps ou un dispositif sensible à la lumière ou qui sous l’effet de la lumière subit une transformation.

Exemples :

Récepteurs naturels :

feuilles de plantes chlorophylliennes
œil

Récepteurs artificiels :

cellules photoélectriques
lunettes photosensibles
la pellicule ou plaque photographique
chlorure d’argent…

II Propagation rectiligne de la lumière

II.1 Milieu homogène, transparent ou translucide

II.1.1Experience

Observons successivement une bougie allumée à travers une plaque en verre, une feuille blanche et un carton.

Avec le verre on voit la flamme de la bougie qui est la source : le est un milieu transparent.

Avec la feuille blanche on voit la lumière provenant de la source mais ne voit pas la source : la feuille blanche est un milieu translucide

Avec le carton on ne voit rien: le milieu est opaque

I.2 Définition

Un corps transparent est un corps homogène qui laisse

passer la lumière.

Exemple : le verre, l’air, l’eau ….

Un corps translucide est un corps qui laisse en partie

passer la lumière.

Exemple : feuille de papier calque.

Un corps opaque qui ne se laisse pas traverser par la

lumière. Exemple : mur, tableau, tronc d’arbre…..

II.2 Faisceau lumineux, Rayon lumineux

II.2.1 Faisceau lumineux

un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux. Un faisceau lumineux peut être convergent, divergent ou cylindrique. Un faisceau cylindrique très fin est appelé pinceau.

Les faisceaux lumineux convergents : dont tous les rayons

lumineux aboutissent à un même point.

Les faisceaux lumineux divergents : dont tous les rayons

partent d’un même point

Les faisceaux lumineux cylindriques : dont tous les rayons

sont parallèles

II.2.2 Rayon lumineux

On représente par un segment de droite le trajet suivi par la lumière pour aller d’un point à autre dans le vide ou dans un milieu transparent homogène. Ce segment orienté dans le sens de propagation de la lumière est appelée rayons lumineux.

Remarque un rayon ne peut être isolé

II.3 Vitesse de la lumière

La vitesse ou célérité de la lumière fut mesurée pour la première fois en laboratoire par le physicien français Hyppolyte Fizeau. De nos jours les physiciens ont fixé la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide à c = 310⁸ms¹(approximativement).

NB : Il est admis qu’aucune autre vitesse ne peut la dépasser.

II.4 Année lumière

Les distances énormes qui séparent les étoiles ont conduit les physiciens à définir une unité de longueur mieux adaptée à leur expression : c’est l’année lumière (al).

Définition : une année lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant un an(365,25). Sa valeur est de :

D = c x t = 3.108 m x 365,25 x 24 x 3600 = 9,5.10¹⁵ m=9460 milliard de Km.

Remarque l’année lumière n’est pas une unité de temps mais plutôt une unité de longueur.

III. Ombre et Pénombre

III.1 Cas d’une source ponctuelle

Expérience

Plaçons une sphère opaque dans le faisceau d’un projecteur. Un écran permet d’intercepter le faisceau.

Observation

Seule une partie de la sphère opaque est éclairée. La partie non éclairée de la sphère est appelée zone d’ombre propre. Entre la sphère et l’écran, toute une région, de l’espace est dans l’ombre, elle forme le cône d’ombre. Sur l’écran, la zone non éclairée est appelée ombre portée.

III.2 Cas une source non ponctuelle

Expérience Reprenons l’expérience précédente mais avec

une source plus large.

Observation Nous distinguons trois régions : une région éclairée, une région d’ombre

complète et une région intermédiaire appelée zone de pénombre.

IV Application

IV.1 Eclipse

Il y a éclipse d’un astre A par un astre B lorsque A cesse d’être visible parce qu’il est caché par B.

L’éclipse est totale lorsque l’astre A tout entier cesse d’être visible, elle est partielle dans le cas contraire

IV.1.1 Eclipse du soleil

Lorsqu’une région de la Terre se trouve dans le cône d’ombre de la lune, il y’a éclipse de soleil dans cette région.

Remarque : une éclipse de soleil ne peut se produire qu’à la nouvelle lune. Elle est visible d’une petite région de la Terre, elle ne dure que quelques minutes au plus.

IV.1.2 Eclipse de la lune

Lorsque la lune est complètement masquée par l’ombre portée de la terre, elle n’est plus visible de la terre : c’est l’éclipse de la lune.

Remarque : L’éclipse lunaire ne peut se produire qu’à la pleine lune.

IV.2 la visée

Une épingle A étant fixée sur une planchette, on plante deux épingles B et C de façon que A masque B et C pour l’œil O (voir figure)

Comme la lumière envoyée par B et celle envoyée par C se propagent en ligne droite, elles sont arrêtées par A. Donc C, B et A sont alignés avec l’œil O de l’observateur. C’est le principe de la visée sur les armes à feu et des visées topographique

IV.3 La chambre noire

Elle est constituée d′une "boite" parallélépipédique percée d′un petit trou et portant, à l′arrière, une plaque translucide.

Expérience de la chambre noire : orientons le trou de la chambre noire vers un objet lumineux,

Observons la face opposée, fermée par un écran translucide. Il se forme sur l’écran une reproduction lumineuse ou représentation de l’objet. Celle-ci est :

- inversée, haut et bas.

- inversée, droite et gauche.

- plus grande si on rapproche la chambre de l’objet.

- plus grande si la chambre noire est plus profonde.

Evaluation

Exercice1 :

On donne le schéma ci-dessous.

(S) est la coupe d’une source étendue de lumière.

(E) est la trace d’un écran

(R) est la trace d’un obstacle opaque.

Représenter la trace de l’ombre et celle de la pénombre obtenue sur l’écran

(S) (R)

(E)

EXERCICE 2

La longueur au sol de l’ombre portée d’un immeuble éclairé par les rayons solaires est de 15m.

Au même moment la longueur de l’ombre sur le sol d’un piquet vertical de 2m est 0,80m. On suppose que les rayons issus du soleil sont tous parallèles au lieu considéré.

Faire un schéma.
Trouver la hauteur de l’immeuble.
Calculer au moment de la mesure l’angle que font les rayons du soleil avec le plan horizontal.

EXERCICE 3

Pour estimer la hauteur d’un arbre, situé à environ 300m de lui, un dessinateur occulte l’arbre avec un crayon tenu verticalement à bout de bras.

Le crayon étant à 80cm de l’œil utilisé pour la visée, la hauteur du crayon qui occulte l’arbre est de 6cm.

Trouver la hauteur approximative de l’arbre.