Soutenance mémoire
La lumière a des divers rôles très importants dans la nature, surtout dans la vie quotidienne des êtres humains, des animaux, etc.… On a choisi ce thème « LA LUMIERE ET SES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES » dans le but d’expliquer les phénomènes physiques de la lumière et de donner une connaissance assez large à ceux qui veulent connaître l’importance de son spectre.
NOTIONS FONDAMENTALES DE LA LUMIERE
Les sources primaires
Les sources primaires produisent de la lumière par elles-mêmes. Exemples : Notre étoile, le soleil, est une source primaire de la lumière. Il transforme une partie de son énergie nucléaire en énergie lumineuse. Le soleil émet de la lumière blanche ou lumière visible mais aussi d’autres rayonnements appartenant au spectre électromagnétique comme les rayonnements infrarouges et les ultraviolets. Bougie, électrique (lampe, enseignes), biochimique (verres luisants). Il existe deux sortes de sources primaires. Les unes rayonnent par incandescence et les autres par luminescence. Dans le premier cas, le rayonnement est émis parce que l’objet est chaud (étoile, lampe, bougie..). Dans le deuxième cas, de la lumière dite froide est émise quand le rayonnement provient de transformations qui ont lieu à l’intérieur des atomes. Par exemple, les atomes du gaz néon transforment l’énergie électrique reçue en énergie lumineuse.
Sources secondaires
Les sources secondaires ou objets diffusants sont des objets dont la surface éclairée renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu’elle reçoit. Exemples : La lune est une source secondaire de la lumière. Si elle émet de la lumière, c’est parce que le soleil l’éclaire. Les planètes, les objets qui nous entourent sont des sources secondaires de lumière. Une tomate (rouge) est éclairée par la lumière blanche d’une lampe. Elle absorbe toutes les couleurs de la lumière sauf le rouge qu’elle diffuse dans toutes les directions. C’est un objet diffusant ou source secondaire.
Définition de la lumière
La lumière est émise par la matière et se manifeste par son action sur la matière. C’est un phénomène transportant de l’énergie. Elle peut être reçue par l’œil ou par un autre récepteur qui l’absorbe, au moins partiellement en étant le siège d’un échauffement, d’un déplacement d’électrons, d’une réaction chimique ou d’une rémission de lumière. Le nom de radiation appliquée aux diverses lumières rappelle que leur énergie (qui est dite rayonnante) se propose le long de rayons. Les ensembles de tels rayons forment des pinceaux ou des faisceaux. La célérité a, dans le vide, même valeur pour toutes les lumières, soit c =3.10⁸m/s.
La puissance que transporte un faisceau de lumière est appelée son flux d’énergie ; on emploie souvent aussi le mot intensité lorsqu’il s’agit de valeurs relatives des divers flux.
● Le concept de photon est utilisé pour expliquer les interactions entre la lumière et la matière lorsqu’elles conduisent à un changement de nature de l’énergie, comme dans l’effet photoélectrique.
● Le concept d’onde est généralement utilisé pour expliquer la propagation de la lumière et certaines des phénomènes liés à la formation des images. Les ondes lumineuses, comme les autres ondes électromagnétiques, créent en chaque point de l’espace des champs électriques et magnétiques qui sont orthogonaux, perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde.
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIERE
Généralités
Définition d’onde
Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu ; la grandeur perturbée peut correspondre à une caractéristique matérielle du milieu ou à un champ. L’onde permet un transport d’énergie sans transport de matière.
Types d’ondes
On distingue deux types principaux d’ondes :
➢ Les ondes mécaniques ;
➢ Les ondes électromagnétiques.
Les ondes peuvent être longitudinales ou transversales.
• Les ondes longitudinales, où les points du milieu de propagation se déplacent localement selon la direction de la perturbation (exemple type : la compression ou la décompression d’un ressort, le son dans un milieu sans cisaillement : eau, air…)
• Les ondes transversales, où les points du milieu de propagation se déplacent localement perpendiculairement au sens de la perturbation, de sorte qu’il faut faire intervenir une grandeur supplémentaire pour les décrire (exemple type : les vagues, les ondes des tremblements de terre, les ondes électromagnétiques). On parle pour décrire ceci de polarisation.
• Le milieu de propagation d’une onde peut être tridimensionnel (onde sonore, lumineuse, etc.), bidimensionnel (onde à la surface de l’eau), ou unidimensionnel (onde sur une corde vibrante).
• Une onde peut posséder plusieurs géométries : plane, sphérique, etc. Elle peut également être progressive, stationnaire ou évanescente . Elle est progressive lorsqu’elle s’éloigne de sa source. Elle s’en éloigne indéfiniment si le milieu est infini, si le milieu est borné, elle peut se réfléchir sur les bords, sur la sphère (comme la Terre par exemple) ; les ondes peuvent revenir au point de départ en faisant en tour complet.
• D’un point de vue plus formel, on distingue également les ondes scalaires qui peuvent être décrites par un nombre variable dans l’espace et dans le temps (le son dans les fluides par exemple), et les ondes vectorielles qui nécessitent un vecteur à leur description (la lumière par exemple), voire des ondes tensorielles (d’ordre 2) pour les ondes gravitationnelles de la relativité générale.
• Si l’on définit les ondes comme associées à un milieu matériel, les ondes électromagnétiques sont exclues ! Pour éviter de les exclure, on peut définir les ondes comme des perturbations d’un milieu, au sens large, matériel ou vide. Dans ce dernier cas, c’est une perturbation électromagnétique.
VITESSE DE LA LUMIERE
Dans tout le milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite d’un mouvement uniforme : on vérifie bien que les temps de parcours t est proportionnel aux espaces parcourus l. Comme ce sont des ondes qui se propagent, et non des particules matérielles, le mot célérité peut être préféré au mot vitesse ; nous emploierons cependant ce dernier conformément à l’usage.
Vitesse de la lumière dans le vide
D’après les théories de la physique moderne et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et même les rayonnements électromagnétiques en général, a une vitesse constante dans le vide ; c’est cette vitesse qu’on appelle vitesse de la lumière. C’est donc une constante physique fondamentale. Elle est notée C. Elle est extrêmement grande : sa valeur C dans le vide (la même pour toutes les radiations visibles et invisibles) est voisine de trois cent mille kilomètres par seconde (3 x 10⁸ m/s). La très grande valeur de la vitesse est C = l/t conduit à faire intervenir des distances l plus grandes que les dimensions de la Terre (au moins 300 000km si l’on veut que le temps t ne soit pas inférieur à une seconde) ou bien de temps extrêmement petits (10⁻⁴ s si l’on veut la distance l ne soit pas supérieure à 30 km). La célérité est indépendante de la lumière.
Vitesse de la lumière dans la matière
La vitesse de lumière dans la matière a toujours une valeur v plus petite que dans le vide. Dans la matière (solide, liquides ou gaz), la lumière se déplace moins vite que dans le vide et cette vitesse dépend de la couleur de la lumière. Dans un milieu biréfringent, la vitesse de la lumière dépend aussi de son plan de polarisation. La différence de vitesse de propagation de la lumière dans des milieux différents est à l’origine du phénomène de réfraction.
Limite de la vitesse de la lumière
La limite de la vitesse de la lumière fait en sorte qu’elle ne varie pas même si la source émettrice se rapproche ou s’éloigne ou encore si c’est l’observateur qui se rapproche ou s’éloigne. Il en est de même du son parce que la vitesse du son est toujours constante quelle que soit la vitesse de la source émettrice ou la vitesse de l’observateur. Les deux phénomènes sont identiques. Continuons le raisonnement plus loin. Que se produit-il lorsqu’un avion dépasse la vitesse du son? Il se produit le bang sonique. Après quoi l’avion peut continuer à augmenter sa vitesse, il peut alors pourquoi, une fusée ne pourrait-elle pas, elle aussi, dépasser la constante de la vitesse de la lumière après avoir franchi le « bang lumineux ». D’où vient cette idée que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière ? Il n’y a que la lumière qui peut aller plus vite que la lumière comme il n’y a que le son qui peut aller plus vite que le son.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : NATURE DE LA LUMIERE
CHAPITRE 1 : NOTIONS FONDAMENTAUX DE LA LUMIERE
I-1 Introduction
I -1-1 Sources primaires
I-1 -2 Sources secondaires
I-2 Définition de la lumière
I-2-1 Définition de la lumière visible
I- 2-2 Définition de la lumière blanche
I-3 Propagation de la lumière
I-4 Ombre et lumière
I-5 Nature de l’énergie lumineux
CHAPITRE II: NATURE ONDULATOIRE DE L’ENERGIE LUMINEUSE (onde électromagnétiques)
II-1 Généraliste
II-1-1 Définition d’onde
II-1-2 Type d’ondes
II-1-3Définition d’onde électromagnétique
II-1-4-Dimensionnalité
II-1-5 Description
II-1-6 Les comportement ondulatoires des ondes lumineuses
II-1-7 Exemple de représentation de deux ondes sinusoïdales de même fréquence et même amplitude en un point fixe
II- 2 :Propagation des ondes lumineuses
II-2-1 Propagation dans le vide
II-2-1-1 Nature électromagnétique de l’onde lumineuse
II-2-1-2 Structure de l’onde monochromatique plane
II-2-2 Propagation dans un milieu matériel
II-2-2-1 Milieu matériel
II -2-2-2 Milieu matériel non homogène
II-2-3 Réflexion et rétraction d’un onde monochromatique
II-2-3-1 Loi de Shell Descartes
II-2-4 Polarisation des onde lumineuses
II-2-4-1 Onde polarisée rectilignement
II-2-4-2 Onde polarisée elliptiquement et circulairement
II-2-5 La fonction d’onde
II-2-6 Conclusion
CHAPITRE III : NATURE CORPUSCULAIRE DE L’ENERGIE LUMINEUSE
III-1 Etude photoélectrique
III-1-1Définition
II-1-2 Montage expérimentale
II-2 Interprétation de l’effet Compton photon
III-3-Comment concilier l’aspect corpusculaire avec l’aspect ondulatoire de la lumière
CHAPITRE IV : VITESSE DE LA LUMIERE
IV-1Vitesse de la lumière dans le vide
IV-2 Vitesse de la lumière dans la matière
IV-3 Limite de la vitesse de la lumière
DEUXIEME PARTIE : DIFFRACTION DES ONDES LUMINEUSES
CHAPITRE V : DEFINITION
V-1 L’interférence
V-2 Diffusion
V-3Surface d’onde
V-4 Existence des phénomènes de diffraction
CHAPITRE VI : PRINCIPE DE HUYGENS FRESNEL
VI-1 Enoncé
VI-1-1 La contribution de Huygens
VI -1-2 La contribution de Fresnel
VI-2 Exemple de principe de Huygens Fresnel
VI-3 Expression mathématique
VI-4 Facteur de transmittance
CHAPITRE VII: DIFFRACTION DE FRESNEL
VII-1 Définition
VII-2 Expression de l’amplitude de l’onde Diffractée
CHAPITRE VIII : DIFFRACTION DE FRAUNHOFER
VIII-1 Définition
VIII-2 Diffraction de Fraunhofer par le diaphragme plan
VIII-2-1Approximation de Fraunhofer plan
VIII- 2-1-1 Formule fondamentale
VIII-2-1-2 Interprétation de terme de phase linéaire
VIII-2-1-3 Expression en fonction de l’amplitude des coordonnées
VIII-2-2 Fréquences spatiales
VIII-2-2-1 Définition
VIII-2-2-2 Relation entre fréquence spatiale(UV) et les ongles d’inclinaison
VIII-2-2-3 Cas de petit angle
VIII-2-3 Répartition de l’éclairement dans le plan d’observation
VIII-2-4 Impotence physique de l’approximation de fréquence (image ponctuel au voisinage de l’optique)
VIII-3 Diffraction par une ouverture rectangulaire
VIII-3-1 Condition d’observation
VIII-3-2 Amplitude de l’onde dans le plan d’observation
VIII-3-3 Intensité de l’onde dans le plan d’observation
VIII-4 Diffraction par une fente
VIII-4-1 Expérience
VII-4-2 Expression de l’amplitude
VIII-4-3 Expression de l’intensité
VIII-4-4 Condition minimum
VIII-4-5 Le condition maximum
VIII-4-6-Représentation de la répartition de l’amplitude E(u) et l’intensité I(u)
VIII-5 Diffraction par une ouverture circulaire
VIII-5-1 Amplitude de l’onde dans le plan de l’observation
VIII-5-2 Intensité de l’onde dans le plan de l’observation
CHAPITRE IX : APPLICATIONS DE PHENOMENES DE DIFFRACTION
IX-1 Définition et réalisation de réseaux
IX-1-1 Définition
XI-1-2 Réalisation
IX2 :Diffraction de Fraunhofer par un réseau de fente
IX-2-1 Relation fondamentale de le réseau par transmission
IX-2-2 Relation fondamentale de le réseau par réflexion
IX-2-3 Représentation géométrique de la relation fondamentale de le réseau
IX-2-4 Amplitude d’onde diffractée par réseau
IX-2-4-1 Rappel de l’amplitude de l’onde diffractée
IX-2-4-2 Contribution de toutes les fentes
IX-3- Répartition de l’intensité de l’onde diffractée
IX-4 Propriété de réseaux
IX-4-1 Dispersion angulaire
IX-4-2 Minimum de déviation
IX-5 Spectromètres à réseaux
IX-5-1 Définition et prestation du spectroscope
IX-5-1-1 Définition
IX-5-1-2- Présentation du spectroscope
IX-5-2 Utilisation
IX-5-3 Interprétation
IX-5-4 Réception des diverses radiation
IX-5-5 Pouvoir de relation d’un spectroscope à réseau
IX-5-6 Applications des réseaux à la comparaison de deux longueurs d’onde
TROISIEME PARTIE: LE SPECTRE LUMINEUX
Définition du spectre électromagnétique
CHAPITRE X : LES ONDES DES FREQUENCES LES PLUS ELEVEES
X-1 Rayons gamma
X-1-1 Définition
X-1-2 Caractéristiques
X-1-3 Danger
X-1-4 Interaction avec la matière
X-1-4-1 Effet photoélectrique
X-1-4-2 Diffusion de Compton
X-2 RAYON X
X-2-1 Définition
X-2-2 Utilisation
X-2-3 Production de rayon X
X-2–4 Propriétés de rayon X
X-2-4-1 Effet sur la santé
X-2-4-2 Détection
X-2-4-3 Rayons X en cristallographie
CHAPITRE XI : LES ONDES DE FREQUENCES INTERMEDIAIRES
XI-1-ULTRAVIOLET
XI -1-1 Définition
XI -1-2 Généralités sur l’ultraviolet et effets sur la santé
XI -1-3 Effets sur la santé
XI -1-4 L’indice UV
XI -1-4-1 Interactions UV- atmosphère
XI -1-4-2- La différence entre UV-A, UV-B et UV
XI-1-4-2-1 Les UV-A (4000Å>λ>3150Å )
XI-1-4-2-2 Les UV-B (3150Å>λ>2800Å)
XI -1-4-2-3 Les UV-C (2800Å>λ>136Å)
XI-1-5 Protection
XI-1-6 Astronomie
XI-1-7 Utilisation
CONCLUSION GENERALE
