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Module d’Optique
       1ère partie : Introduction
  2ème partie : Optique géométrique
  3ème partie : Optique ondulatoire

    © Fabrice Sincère (version 3.0.1)
http://pagesperso-orange.fr/fabrice.sincere   1
1ère partie Introduction
L’Optique est la partie de la physique qui étudie les propriétés
de la lumière.

       Chapitre 1 Les ondes électromagnétiques
Les ondes EM sont formées d’un champ électrique E et d’un
champ magnétique B (fig. 1) :


       E



   B
                                                                   2
1-1- Caractéristiques d’une onde EM
   • fréquence f      [Hz]
   • célérité (vitesse de propagation) c      [m/s]
   • longueur d’onde λ         [m]
   • intensité        [W/m²]
La longueur d’onde est la distance parcourue en une période :
       λ = cT = c/f
c et λ dépendent du milieu de propagation :
   • dans le vide : c0 = 299 792 458 m/s (≈ 300 000 km/s)
   • c ≤ c0
   • λ ≤ λ0                                                     3
1-2- Classification des ondes EM (tableau 1)

     Fréquence f          Longueur d’onde λ0    Domaine
      < 300 kHz                > 1 km           Basse fréquence : réseau électrique EDF 50 Hz,
                                                réseau téléphonique, radio GO
  300 kHz – 3 MHz           1000 m – 100 m      Moyenne fréquence : radio PO
  3 MHz – 30 MHz             100 m – 10 m       Haute fréquence (HF)
 30 MHz – 300 MHz             10 m – 1 m        Très haute fréquence (VHF) : radio FM,
                                                télévision
  300 MHz – 3 GHz           100 cm - 10 cm      Ultra haute fréquence (UHF) : télévision,
                                                téléphonie mobile, Wifi
   3 GHz – 10 GHz            10 cm – 3 mm       Hyperfréquence (SHF) : radar
  10 GHz – 600 GHz          3 mm – 0,5 mm       Micro-ondes : four à micro-ondes
 600 GHz – 4 1014 Hz       0,5 mm – 0,76 µm     Infrarouge (IR) : rayonnement thermique
4 1014 Hz – 7,5 1014 Hz    0,76 µm – 0,4 µm     Lumière visible : rouge au violet
7,5 1014 Hz – 3 1016 Hz     400 nm – 10 nm      Ultraviolet (UV)
 3 1016 Hz – 3 1020 Hz      10-8 m – 10-12 m    Rayons X
 3 1020 Hz – 3 1022 Hz      10-12 m – 10-14 m   Rayons γ (gamma)
      > 3 1022 Hz               < 10-14 m       Rayons cosmiques



                                                                                          4
1-3- Correspondance entre fréquence et couleur (tableau 2)
       Fréquence (Hz)   Longueur d’onde λ0     Couleur
          7,5⋅1014           400 nm          Violet extrême
                             420 nm              Violet
                             440 nm              Indigo
          6,25⋅1014          480 nm                Bleu
                             500 nm            Bleu-Vert
                             520 nm                Vert
                             560 nm           Vert-Jaune
                             580 nm               Jaune
           5⋅1014            600 nm             Orange
                             620 nm          Rouge moyen
                             650 nm              Rouge
           4⋅1014            760 nm          Rouge extrême




                                                              5
1-4- Courbe de sensibilité de l’œil (fig. 2)
                                                  Vision photopique (CIE 1924)

                                         1




      efficacité lumineuse
                                        0,8



                             relative
                                        0,6
                                        0,4
                                        0,2
                                         0
                                          380   430   480    530    580    630     680   730   780
                                                            longueur d'onde (nm)




 Maximum de sensibilité :                                                 555 nm (vert-jaune)

                                                                                                     6
1-5- Sources de lumière
• Lumière monochromatique
C’est une lumière composée d’une seule longueur d’onde.
Ex. :   Laser
        Lampe à vapeur de sodium …




                                                          7
• Lumière polychromatique
C’est un mélange de lumières monochromatiques.
Ex. :   Lumière blanche (lumière du jour, ampoule …)
        Soleil, LED ...




                                                       8
1-6- Indice de réfraction d’un milieu transparent
Définition :    n = c0 /c
   • Indice de réfraction du vide : n0 = 1
   •n≥1
   • nair ≈ 1,000 3
   • neau ≈ 1,33          (ceau ≈ 225 000 km/s)
   • nverre : 1,5 à 1,9




                                                    9
• n (λ) : l’indice de réfraction dépend de la couleur (sauf dans le
vide)




                                                                  10
Remarque :       λ = λ0 /n
   • λair ≈ λ0
   • Laser He-Ne :      λair = 632,8 nm (rouge)
                        λeau = 632,8/1,331 = 475 nm (rouge)




                                                              11
Chapitre 2 Théorie corpusculaire de la lumière

La lumière est constituée de particules élémentaires :
       les photons (Einstein 1905)


Propriétés du photon :
   • masse nulle
   • vitesse de la lumière
   • énergie : E = hf
               h ≈ 6,62⋅10-34 J⋅s     (constante de Planck)
                                                              12

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Cours optique introduction

  • 1. Module d’Optique 1ère partie : Introduction 2ème partie : Optique géométrique 3ème partie : Optique ondulatoire © Fabrice Sincère (version 3.0.1) http://pagesperso-orange.fr/fabrice.sincere 1
  • 2. 1ère partie Introduction L’Optique est la partie de la physique qui étudie les propriétés de la lumière. Chapitre 1 Les ondes électromagnétiques Les ondes EM sont formées d’un champ électrique E et d’un champ magnétique B (fig. 1) : E B 2
  • 3. 1-1- Caractéristiques d’une onde EM • fréquence f [Hz] • célérité (vitesse de propagation) c [m/s] • longueur d’onde λ [m] • intensité [W/m²] La longueur d’onde est la distance parcourue en une période : λ = cT = c/f c et λ dépendent du milieu de propagation : • dans le vide : c0 = 299 792 458 m/s (≈ 300 000 km/s) • c ≤ c0 • λ ≤ λ0 3
  • 4. 1-2- Classification des ondes EM (tableau 1) Fréquence f Longueur d’onde λ0 Domaine < 300 kHz > 1 km Basse fréquence : réseau électrique EDF 50 Hz, réseau téléphonique, radio GO 300 kHz – 3 MHz 1000 m – 100 m Moyenne fréquence : radio PO 3 MHz – 30 MHz 100 m – 10 m Haute fréquence (HF) 30 MHz – 300 MHz 10 m – 1 m Très haute fréquence (VHF) : radio FM, télévision 300 MHz – 3 GHz 100 cm - 10 cm Ultra haute fréquence (UHF) : télévision, téléphonie mobile, Wifi 3 GHz – 10 GHz 10 cm – 3 mm Hyperfréquence (SHF) : radar 10 GHz – 600 GHz 3 mm – 0,5 mm Micro-ondes : four à micro-ondes 600 GHz – 4 1014 Hz 0,5 mm – 0,76 µm Infrarouge (IR) : rayonnement thermique 4 1014 Hz – 7,5 1014 Hz 0,76 µm – 0,4 µm Lumière visible : rouge au violet 7,5 1014 Hz – 3 1016 Hz 400 nm – 10 nm Ultraviolet (UV) 3 1016 Hz – 3 1020 Hz 10-8 m – 10-12 m Rayons X 3 1020 Hz – 3 1022 Hz 10-12 m – 10-14 m Rayons γ (gamma) > 3 1022 Hz < 10-14 m Rayons cosmiques 4
  • 5. 1-3- Correspondance entre fréquence et couleur (tableau 2) Fréquence (Hz) Longueur d’onde λ0 Couleur 7,5⋅1014 400 nm Violet extrême 420 nm Violet 440 nm Indigo 6,25⋅1014 480 nm Bleu 500 nm Bleu-Vert 520 nm Vert 560 nm Vert-Jaune 580 nm Jaune 5⋅1014 600 nm Orange 620 nm Rouge moyen 650 nm Rouge 4⋅1014 760 nm Rouge extrême 5
  • 6. 1-4- Courbe de sensibilité de l’œil (fig. 2) Vision photopique (CIE 1924) 1 efficacité lumineuse 0,8 relative 0,6 0,4 0,2 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 longueur d'onde (nm) Maximum de sensibilité : 555 nm (vert-jaune) 6
  • 7. 1-5- Sources de lumière • Lumière monochromatique C’est une lumière composée d’une seule longueur d’onde. Ex. : Laser Lampe à vapeur de sodium … 7
  • 8. • Lumière polychromatique C’est un mélange de lumières monochromatiques. Ex. : Lumière blanche (lumière du jour, ampoule …) Soleil, LED ... 8
  • 9. 1-6- Indice de réfraction d’un milieu transparent Définition : n = c0 /c • Indice de réfraction du vide : n0 = 1 •n≥1 • nair ≈ 1,000 3 • neau ≈ 1,33 (ceau ≈ 225 000 km/s) • nverre : 1,5 à 1,9 9
  • 10. • n (λ) : l’indice de réfraction dépend de la couleur (sauf dans le vide) 10
  • 11. Remarque : λ = λ0 /n • λair ≈ λ0 • Laser He-Ne : λair = 632,8 nm (rouge) λeau = 632,8/1,331 = 475 nm (rouge) 11
  • 12. Chapitre 2 Théorie corpusculaire de la lumière La lumière est constituée de particules élémentaires : les photons (Einstein 1905) Propriétés du photon : • masse nulle • vitesse de la lumière • énergie : E = hf h ≈ 6,62⋅10-34 J⋅s (constante de Planck) 12