Fiche de révision : Optique et lumière

📋 Plan du Cours

1. Œil réel et œil réduit
2. Images par lentille convergente
3. Lentilles minces convergentes
4. Spectres de raies et composition stellaire
5. Rayonnement thermique des étoiles
6. Dispersion et longueur d’onde
7. Propagation et réfraction lumineuses
8. Images par lentilles convergentes
9. Accommodation et modèle de l’œil
10. Réfraction et indice de l’éthanol
11. Température et classes spectrales
12. Propagation et spectres lumineux

📖 1. Œil réel et œil réduit

🔑 Notions clés & Définitions

• Œil emmétrope : Capable de voir nettement des objets très éloignés ou très proches.

★ À maîtriser

• L’œil réel est un système optique convergent constitué de la cornée, du cristallin et de l’humeur vitrée, et l’image se forme sur la rétine photosensible.

• L’accommodation permet à l’œil de faire la mise au point pour voir nettement des objets à différentes distances en faisant varier la distance focale du cristallin, tandis que le diamètre de l’œil reste fixe.

Compléments

📌 Dans le modèle de l’œil réduit, le diaphragme représente l’iris, la lentille convergente représente le cristallin et l’écran représente la rétine.

💡 Astuce mémo

L’œil réel transforme le cristallin en lentille, la rétine en écran.

📖 2. Images par lentille convergente

🔑 Notions clés & Définitions

• Image réelle : Peut être observée sur un écran.

★ À maîtriser

• La position et la taille de l’image d’un objet à travers une lentille se déterminent graphiquement à l’aide de trois rayons spécifiques dont l’intersection définit l’image A’B’.

Compléments

• Par convention, la lumière se propage de la gauche vers la droite dans les schémas optiques.

📌 Une image renversée est de sens opposé à celui de l’objet, tandis qu’une image droite est de même sens que l’objet.

📖 3. Lentilles minces convergentes

🔑 Notions clés & Définitions

• Lentille : Milieu transparent limité par deux surfaces dont au moins une n’est pas plane.
• Foyer image : Point où convergent les rayons parallèles à l’axe optique.
• Lentille mince : Épaisseur au centre faible par rapport aux rayons de courbure de ses surfaces.

★ À maîtriser

📌 Une lentille convergente a les bords plus minces que le centre et fait converger les rayons incidents parallèles à l’axe optique, tandis qu’une lentille divergente a les bords plus épais que le centre et fait diverger ces rayons.

📐 Formule - La distance focale image vérifie $f’ = OF’$.

Compléments

• Le foyer objet F d’une lentille convergente est le point symétrique du foyer image F’ par rapport au centre optique O.

📖 4. Spectres de raies et composition stellaire

★ À maîtriser

📌 Le spectre d’émission d’un gaz chaud est discontinu et constitué de raies colorées sur fond noir, tandis qu’un spectre d’absorption présente les radiations absorbées sous forme de raies.

• Chaque raie d’émission est associée à une longueur d’onde et le spectre de raies est propre à une espèce chimique.

• Le Soleil est composé, en masse, d’environ 74 % d’hydrogène, 24 % d’hélium et 2 % d’autres éléments.

Compléments

📌 Les radiations absorbées par un élément ont les mêmes longueurs d’onde que celles qu’il émet lorsqu’il est chaud.

• La photosphère d’une étoile émet un spectre continu dont la couleur dépend de sa température, puis les éléments de son atmosphère absorbent certaines radiations et produisent des raies révélant sa composition.

• Cecilia Payne-Gaposchkin a postulé que l’atmosphère des étoiles est constituée majoritairement d’hydrogène, contrairement à celle de la Terre.

💡 Astuce mémo

Les éléments de l’atmosphère absorbent certaines radiations → leurs raies révèlent leur composition.

📖 5. Rayonnement thermique des étoiles

★ À maîtriser

• Quand la température d’un corps chauffé augmente, son rayonnement se déplace vers le violet et des radiations de plus faibles longueurs d’onde apparaissent.

Compléments

• Les étoiles les plus chaudes émettent davantage dans l’ultraviolet et moins dans l’infrarouge que les étoiles plus froides.

• Les étoiles les plus chaudes apparaissent bleutées, contrairement aux étoiles rouges.

• La couleur d’une étoile résulte du mélange de toutes les radiations visibles qu’elle émet et ne correspond pas exactement à la longueur d’onde de son maximum d’intensité lumineuse.

💡 Astuce mémo

Température accrue → rayonnement déplacé vers le violet.

📖 6. Dispersion et longueur d’onde

🔑 Notions clés & Définitions

• Longueur d’onde : Distance parcourue par l’onde pendant la durée d’une période, exprimée en mètres.
• Spectre polychromatique : Contient plusieurs radiations monochromatiques, chacune correspondant à une seule couleur.
• Spectre continu : Constitué de radiations qui se succèdent sans interruption.

★ À maîtriser

• Un système dispersif, tel qu’un prisme ou un réseau, décompose une lumière en séparant les radiations qui la constituent et produit son spectre.

• La lumière blanche est constituée d’une infinité de lumières colorées.

Compléments

• L’œil n’est pas sensible à toutes les longueurs d’onde et ne peut donc pas voir toutes les ondes électromagnétiques comprises entre 400 et 800 nm.

📖 7. Propagation et réfraction lumineuses

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde lumineuse : Onde électromagnétique qui se propage en ligne droite dans le vide et dans les milieux transparents homogènes.
• Indice de réfraction : Rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans ce milieu.

★ À maîtriser

• Dans le vide, la vitesse de propagation de la lumière, notée c pour célérité, vaut exactement 299 792 458 m·s⁻¹.

Compléments

📌 La vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air est une valeur limite qu’aucun objet ni signal ne peut dépasser.

• L’indice de réfraction vaut 1,00 dans le vide et l’air, 1,33 dans l’eau et 1,49 dans le Plexiglas.

• La vitesse de la lumière vaut 3,00·10⁸ m·s⁻¹ dans le vide et l’air, 2,25·10⁸ m·s⁻¹ dans l’eau et 2,01·10⁸ m·s⁻¹ dans le Plexiglas.

📌 Selon la première loi de Snell-Descartes, le rayon incident, le rayon réfracté, le rayon réfléchi et la normale appartiennent au même plan, appelé plan d’incidence.

📖 8. Images par lentilles convergentes

★ À maîtriser

• Dans l’exercice photographique, l’objectif est assimilé à une lentille convergente de distance focale 3,0 cm, et le verre photographié mesure 6 cm de hauteur à 18 cm de l’appareil.

• Dans l’exercice de construction d’image, la lentille convergente a une distance focale de 20 cm et l’objet AB, haut de 10 cm, est placé à 60 cm de la lentille.

Compléments

• Dans l’exercice de recherche de l’objet à partir de son image, la lentille a une distance focale de 20 cm et l’image mesure 8 cm à 25 cm de la lentille.

• Le grandissement d’une lentille convergente peut être déterminé à partir des tailles de l’objet et de l’image.

📖 9. Accommodation et modèle de l’œil

🔑 Notions clés & Définitions

• Accommodation : Changement de forme du cristallin qui permet de former les images sur la rétine.

📝 Points essentiels

• Dans le modèle de l’œil réduit, l’image A’B’ se forme sur l’écran qui représente la rétine.

• Quand l’objet est rapproché de 3 cm de la lentille, il faut trouver de nouvelles positions des foyers objet F et image F’ pour que l’image se forme à nouveau sur l’écran.

💡 Astuce mémo

Objet rapproché → le cristallin change de forme pour reformer l’image sur la rétine.

📖 10. Réfraction et indice de l’éthanol

★ À maîtriser

• Lors de la réfraction de l’air vers l’éthanol, la représentation expérimentale donne la relation $\sin i_2 = 0{,}735 \times \sin i_1$.

• Dans l’exercice du plongeur, l’angle du rayon dans l’eau avec la perpendiculaire à la surface vaut 40°, et les indices donnés sont 1,00 pour l’air et 1,33 pour l’eau.

Compléments

• L’indice de réfraction de l’air utilisé dans l’expérience est 1,00.

• Pour déterminer l’indice de l’éthanol à partir de la droite expérimentale, on relie son coefficient directeur au rapport des indices demandé par la loi de Snell-Descartes, puis on utilise l’indice de l’air connu.

• Dans l’exercice du plongeur, il faut déterminer l’angle du rayon provenant du visage de son amie avec la perpendiculaire à la surface et tracer le rayon réfléchi.

📖 11. Température et classes spectrales

★ À maîtriser

• La classification spectrale des étoiles développée par Annie Jump Cannon est OBAFGKM. - A. Jump Cannon

• La classification OBAFGKM relie les classes spectrales des étoiles à leur température de surface. - C. Payne-Gaposchkin

Compléments

• Les températures de surface données pour Altaïr et Procyon sont respectivement d’environ 7 300 °C et 6 200 °C.

• Les étoiles Deneb, Capella et Antarès sont respectivement bleue, jaune et rouge.

📖 12. Propagation et spectres lumineux

🔑 Notions clés & Définitions

• Année-lumière : Distance parcourue par la lumière en une année terrestre de 365,25 jours.

📝 Points essentiels

• La distance la plus courte entre la Terre et Mars donnée pour le trajet d’une onde électromagnétique est de $5{,}57 \times 10^7$ km.

• Le prisme de verre décompose la lumière blanche du Soleil, et l’exercice demande d’identifier la propriété du prisme responsable de cette dispersion.

• Les indices du verre crown aux longueurs d’onde 486 nm, 589 nm et 656 nm sont respectivement 1,522, 1,517 et 1,514.

• Les indices du verre flint aux longueurs d’onde 486 nm, 589 nm et 656 nm sont respectivement 1,682, 1,666 et 1,658.

📌 L’indice de l’air reste égal à 1,00 pour les longueurs d’onde 486 nm, 589 nm et 656 nm, tandis que les indices des verres crown et flint varient avec la longueur d’onde.

• Les longueurs d’onde caractéristiques fournies sont les suivantes :

  • Hydrogène : 410, 434, 486 et 656 nm
  • Lithium : 412, 497, 610 et 671 nm
  • Mercure : 405, 436, 546 et 579 nm

• Les longueurs d’onde caractéristiques fournies sont les suivantes :

  • Mercure : 405, 436, 546 et 579 nm
  • Cadmium : 468, 480, 508 et 643 nm
  • Hélium : 447, 501, 588 et 668 nm