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 :

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)

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 :

  1. Rayon parallèle à l'axe optique → passe par F'
  2. Rayon passant par le centre O → non dévié
  3. 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

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

  1. Lumière jaune λ = 589 nm. Calculer sa fréquence dans le vide.
  2. Rayon passant de l'air dans le verre (n=1,5) avec i₁ = 30°. Calculer i₂.
  3. Fibre optique : cœur n=1,5, gaine n=1,45. Angle critique ?
  4. Lentille f'=20 cm, objet à OA = -40 cm. Trouver OA' et γ.
  5. 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

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