Approximation de l’optique géométrique
Contents
Approximation de l’optique géométrique#
Source lumineuse#
Important
Une source lumineuse est un objet qui émet de la lumière.
On distingue les sources lumineuses primaires qui produisent leurs propres lumières et les sources lumineuses secondaires qui réémettent la lumière (ou une partie de la lumière) qu’ils reçoivent.
Une source lumineuse ponctuelle est une source lumineuse assimilable à un point. Il s’agit d’un modèle théorique mais qu’on peut considérer acceptable pour des sources lointaines (étoiles) ou pour des sources rendues très petites par un diaphragme 1 très fin.
Une source étendue est constituée d’un ensemble de sources ponctuelles. La majorité des sources que nous utilisons sont des sources étendues (lampes, soleil, lune, source secondaire sur terre… ).
Une source monochromatique est une source qui n’émet qu’une seule longueur d’onde.
Faisceau lumineux et rayon lumineux#
Important
Un rayon lumineux est défini comme la direction de propagation de l’onde électromagnétique.
Un faisceau lumineux est l’étendue de lumière issue d’un objet et - en général - passant par un diaphragme.
Un faisceau lumineux est composé d’un ensemble de rayons lumineux.
Outre le spectre de la lumière émise, un faisceau lumineux est caractérisé par son extension (sa forme et sa taille).
Rayon lumineux et diffraction#
Introduction
On peut voir un rayon lumineux comme un faisceau de section ponctuelle (donc nulle). Une idée pour isoler un rayon lumineux est donc d’utiliser un diaphragme de section ponctuelle (donc nulle). Celà permet d’avoir une vision de l’esprit de ce qu’est un rayon. En pratique, on peut chercher à le diaphragmer avec une section très très faible, mais…
Important
Phénomène de diffraction
Lorsqu’on essaie d’isoler un rayon lumineux comme précédemment et qu’on atteint une taille de diaphragme de l’ordre du micromètre (pour le visible - c’est-à-dire qu’elle devient de l’ordre de la longueur d’onde), la tâche augmente et l’on voit apparaître des anneaux autour de la tâche. On parle de phénomène de diffraction.
Le phénomène de diffraction empêche de tendre rigoureusement vers un rayon lumineux isolé. Dans ces conditions, on ne peut même plus parler de rayon lumineux (il n’y a par exemple pas de correspondance entre un rayon avant et après le diaphragme).
Fig. 1 Isoler un rayon lumineux#
Approximation de l’optique géométrique#
Important
On considère qu’on se place dans le cadre d’étude de l’optique géométrique si l’on peut traiter un faisceau lumineux comme un ensemble de rayons lumineux.
Dans ce cadre, les rayons lumineux dans un milieu homogène, transparent et isotrope sont des lignes droites.
Important
Approximation de l’optique géométrique (Admis)
On peut se placer dans le cadre de l’optique géométrique si les phénomènes de diffraction sont négligeable c’est-à-dire si les caractéristiques du milieu (indice de réfraction) varient sur des distances grandes devant la longueur d’onde du milieu (ou ne varient pas).
Distances caractéristiques de variation
Les “distances” de variations sont principalement pour nous la taille des diaphragmes et obstacles à la lumière que nous utilisons. Mais on peut étendre cette étude au cas où l’indice de réfraction varie continuement dans l’espace mais très “lentement ” (dans l’espace, pas dans le temps). On peut penser à l’atmosphère dont l’indice de réfraction varie en fonction de l’altitude (ce qui cause les mirages par exemple).
Dans ce genre de systèmes, on peut alors s’intéresser à une distance “caractéristique” sur laquelle les variations d’indice de réfraction sont sensibles. C’est cette distance qui doit être comparée à la longueur d’onde. Ce cas d’étude sera très rarement abordés en première (ou en tout cas, nous admettrons que le cadre de l’optique géométrique est alors valable).
Propriétés dans le cadre de l’optique géométrique#
Important
Propriétés des rayons
Propagation rectiligne : On rappelle que dans un milieu homogène transparent et isotrope, les rayons lumineux se propagent en ligne droite.
Indépendance des rayons : Les rayons lumineux sont indépendants, c’est-à-dire que la propagation de l’un n’influe pas sur la propagation l’autre, même quand ils se croisent.
Principe de retour inverse : Si pour aller d’un point A à un point B, la lumière emprunte un chemin S. Alors pour aller du point B au point A, elle empruntera le chemin S en sens inverse.
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Un diaphragme est un dispositif mécanique qui limitent l’étendue d’un faisceau lumineux. On peut le caractériser par sa forme et sa taille.