Fiche de révision : Ondes lumineuses et lois optiques

📋 Plan du Cours

1. Propagation rectiligne de la lumière
2. Célérité et nature de la lumière
3. Réflexion et réfraction
4. Lois de Snell-Descartes
5. Réflexion totale et réfraction limite
6. Dispersion de la lumière blanche
7. Applications et méthodes de calcul

📖 1. Propagation rectiligne de la lumière

🔑 Notions clés & Définitions

• Propagation rectiligne : Se propage en ligne droite dans un milieu homogène et isotrope, c’est-à-dire un milieu ayant les mêmes propriétés en tout point et dans toutes les directions.

📝 Points essentiels

• Un milieu homogène et isotrope possède les mêmes propriétés en tout point de l’espace et dans toutes les directions de cet espace.

💡 Astuce mémo

Milieu homogène et isotrope : trajet droit ; milieu non homogène : déviation possible

📖 2. Célérité et nature de la lumière

★ À maîtriser

• La célérité de la lumière dans le vide vaut $c = 3{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m.s^{-1}}$.

📌 La lumière est une onde électromagnétique composée de l’association d’un champ électrique et d’un champ magnétique, tandis que le son est une onde mécanique.

• La lumière visible par l’œil humain correspond à des longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 800 nm.

Compléments

• La vitesse du son dans l’air vaut environ 340 m.s-1 et celle d’un sprinteur sur 100 m vaut environ 10 m.s-1.

💡 Astuce mémo

Une onde électromagnétique formée de deux champs, électrique et magnétique

📖 3. Réflexion et réfraction

🔑 Notions clés & Définitions

• Dioptre : Surface séparant deux milieux.

★ À maîtriser

📌 Le rayon incident arrive sur le dioptre, le rayon réfléchi repart dans le premier milieu et le rayon réfracté pénètre dans le second milieu avec une direction différente.

Compléments

• La normale est la droite perpendiculaire à la surface de séparation au point d’incidence.

💡 Astuce mémo

Réflexion : le rayon repart dans le premier milieu ; réfraction : il pénètre dans le second

📖 4. Lois de Snell-Descartes

★ À maîtriser

📌 Selon la loi de la réflexion, le rayon incident et le rayon réfléchi sont dans le même plan et leurs angles avec la normale vérifient $i = i′$.

📐 Formule — Selon la loi de la réfraction, le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan et vérifient $n\sin i = n′\sin r$.

📐 Formule — L’indice de réfraction d’un milieu est donné par $n = \frac{c}{v}$, où c est la célérité de la lumière dans le vide et v sa célérité dans le milieu considéré.

Compléments

📐 Formule — La relation entre les angles et les indices peut aussi s’écrire $\frac{\sin i}{\sin r} = \frac{n′}{n}$.

💡 Astuce mémo

Réflexion : i = i′ ; réfraction : n sin i = n′ sin r

📖 5. Réflexion totale et réfraction limite

★ À maîtriser

📌 La réflexion totale se produit lorsque l’indice n du milieu incident est supérieur à l’indice n′ du milieu réfracté et que l’angle d’incidence atteint une valeur limite ou la dépasse.

📐 Formule — L’angle d’incidence limite vérifie $n\sin i_{\mathrm{limite}} = n′\sin 90° = n′$, donc $\sin i_{\mathrm{limite}} = \frac{n′}{n}$.

Compléments

• Un rayon perpendiculaire à la surface d’un hémicylindre n’est pas dévié lors de son passage dans le second milieu.

💡 Astuce mémo

Indice incident supérieur et angle assez grand → disparition de la réfraction et réflexion totale

📖 6. Dispersion de la lumière blanche

🔑 Notions clés & Définitions

• Dispersion : Séparation des radiations qui composent cette lumière.

📝 Points essentiels

• Dans une goutte d’eau, les différentes radiations de la lumière blanche ont des vitesses différentes, sont réfractées sous des angles différents et se séparent.

📌 L’indice de réfraction dépend du milieu traversé et de la radiation lumineuse qui le traverse.

💡 Astuce mémo

Lumière blanche → radiations colorées → vitesses différentes → angles différents

📖 7. Applications et méthodes de calcul

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour calculer une distance parcourue par une onde à vitesse constante, on utilise $d = v\Delta t$.

• Lors d’un orage, la distance de la foudre peut être estimée en calculant d’abord la distance parcourue par le son pendant le retard mesuré, puis en vérifiant que le temps de parcours de la lumière est négligeable.

Compléments

• Pour un délai de 4 s et une célérité du son d’environ 333 m.s-1, la distance parcourue par l’onde sonore est d’environ 1332 m.

📐 Formule — Pour calculer un angle à partir de sa valeur de sinus, on utilise $i = \sin^{-1}(a)$ ou $i = \arcsin(a)$ lorsque $\sin(i)=a$.

📊 Tableaux de synthèse

Réflexion et réfraction