Physique-Chimie — Première
Lumière et optique — Première Physique-Chimie
Spectre lumineux, diffraction, réfraction, lentilles et formation d'images.
Par ProfBot
Lumière et optique — Première Physique-Chimie
🎯 Objectif : Comprendre la nature de la lumière et les phénomènes optiques.
1. Nature de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide à :
c = 3,0 × 10⁸ m/s
Domaine visible : longueurs d'onde entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge)
Violet 400-450 nm
Bleu 450-490 nm
Vert 490-560 nm
Jaune 560-590 nm
Orange 590-630 nm
Rouge 630-800 nm
2. Dispersion de la lumière blanche
Prisme : la lumière blanche est décomposée en un spectre car chaque couleur a une longueur d'onde différente et est réfractée différemment.
Arcs-en-ciel : même phénomène avec les gouttes d'eau.
Lumière blanche = mélange de toutes les couleurs visibles.
3. Sources de lumière
Source primaire : émet sa propre lumière (Soleil, lampe, LED, étoile) Source secondaire (diffusante) : renvoie la lumière reçue (Lune, objet éclairé)
Spectre d'émission :
- Continu : solide ou liquide chauffé → toutes les longueurs d'onde
- Discontinu (raies) : gaz excité → raies caractéristiques de l'élément
Spectre d'absorption : raies sombres sur fond continu → identification des éléments (ex : Soleil)
4. Réfraction
Quand la lumière passe d'un milieu à un autre, elle change de direction.
Loi de Snell-Descartes :
n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂)
- n₁, n₂ : indices de réfraction des milieux
- i₁ : angle d'incidence
- i₂ : angle de réfraction
Indices de réfraction courants :
Air : n ≈ 1
Eau : n ≈ 1,33
Verre : n ≈ 1,5
💡 Plus l'indice est grand, plus le milieu est "dense optiquement" et plus la lumière ralentit.
Célérité dans un milieu : v = c/n
5. Réflexion totale interne
Si n₁ > n₂ et l'angle d'incidence dépasse l'angle critique iₗ :
sin(iₗ) = n₂/n₁
→ Toute la lumière est réfléchie, aucune ne traverse.
Applications : fibre optique (internet, communications), endoscope médical.
6. Lentilles convergentes
Lentille convergente : fait converger les rayons lumineux parallèles en un point appelé foyer F'.
Vergence : V = 1/f' (en dioptries, δ)
Rayons remarquables :
- Rayon parallèle à l'axe optique → passe par F'
- Rayon passant par le centre O → non dévié
- Rayon passant par F → ressort parallèle à l'axe
7. Relation conjuguée et grandissement
En notant OA = algébrique (positif si A est du même côté que l'objet réel) :
Relation de conjugaison :
1/OA' - 1/OA = 1/f'
Grandissement :
γ = OA'/OA = taille image / taille objet
- γ > 0 : image droite
- γ < 0 : image renversée
- |γ| > 1 : image agrandie
- |γ| < 1 : image réduite
8. Exemple — Appareil photo
Lentille de focale f' = 50 mm. Objet à 2 m = 2000 mm.
1/OA' = 1/f' + 1/OA = 1/50 + 1/(-2000) (objet réel: OA négatif)
1/OA' = 40/2000 - 1/2000 = 39/2000
OA' = 2000/39 ≈ 51,3 mm
γ = OA'/OA = 51,3/(-2000) ≈ -0,026 (image réelle, renversée, très petite)
📝 Exercices
- Lumière jaune λ = 589 nm. Calculer sa fréquence dans le vide.
- Rayon passant de l'air dans le verre (n=1,5) avec i₁ = 30°. Calculer i₂.
- Fibre optique : cœur n=1,5, gaine n=1,45. Angle critique ?
- Lentille f'=20 cm, objet à OA = -40 cm. Trouver OA' et γ.
- Quelle est la célérité de la lumière dans l'eau (n=1,33) ?
✅ À retenir
c = 3×10⁸ m/s Visible : 400-800 nm
Loi de Snell : n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂
n = c/v (v = c/n dans le milieu)
Réflexion totale : sin iₗ = n₂/n₁
Conjugaison : 1/OA' - 1/OA = 1/f'
Grandissement : γ = OA'/OA