Résumé du cours d'optique de Jeudi dernier

La lumière se présente  sous forme d?onde électromagnétique se propageant à très grande vitesse dans des matériaux réfringents : vide, air eau, plexiglass, cristaux de quartz etc?

 
Dans le vide la vitesse de propagation vaut 3 10⁸ m.s^-1  ( elle met 1,3 seconde pour nous parvenir de la Lune située à 400 000km )

 

La lumière blanche est constituée de diverses couleurs perçues comme telles par l'oeil  celles-ci sont physiquement déterminées par leur longueur d'onde respectives

 

bonjour à tous,

vous avez pu remarquer qu'en page d'accueil j'ai fait figurer un cliché d'un double arc en ciel (cliché perso pris en juillet 2006 aux Emerins dans l'Allier)

il est rare de pouvoir photographier un double arc en ciel, car si le premier ne pose aucune difficulté, le second est assez peu lumineux.

pour les curieux de physique en général et d'optique en particulier interrogeons nous sur les caractéristiques de ce phénomène:

voyons d'abord  la photo de plus près, et jouons à "question-réponse"! 

- le phénomène est un météore...pourquoi?

réponse: il se produit dans l'atmosphère terrestre, et fait partie des sujets de  la météorologie qui est la science qui traite des phénomènes atmosphériques...c'est un météore, comme la pluie, la neige, le brouillard, les étoiles filantes

- les arcs sont le résultat d'un phénomène de dispersion de la lumière...de quoi s'agit-il?

réponse: on observe un étalement des couleurs composant la lumière blanche, comme à la sortie d'un prisme de verre (voir par exemple mes spectres de laboratoire)... pour l'arc intérieur c'est un spectre continu d'ordre 1 de l'extérieur vers l'intérieur: rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo et violet et pour l'arc extérieur c'est un spectre continu d'ordre 2 inversé de l'intérieur vers l'extérieur avec les mêmes couleurs.

- quelle est la cause de ce phénomène?

réponse: les gouttes d'eau en suspension dans l'air reçoivent l'éclairage du soleil...chaque goutte d'eau se comporte comme un disperseur, à l'instar d'un prisme ou d'un réseau...en effet, l'indice de réfraction  de l'eau est variable en fonction de la longueur d'onde (1,333 dans le jaune, 1,330 dans le rouge, 1,339 dans le bleu, sa constringence est de 56) 

- pourquoi observe-t-on deux arcs?

 réponse: prenons une seul goutte d'eau comme support de l'explication (le résultat est le même pour une infinité de gouttes):

la lumière du soleil parvient dans la goutte et subit une première réflexion interne suivie d'une réfraction...on voit bien le mécanisme sur la figure ci dessous...cette réfraction disperse les couleurs puisque l'indice de l'eau est variable pour chaque couleur ( voir la formule de Descartes à ce sujet)-->  on obtient en A le retour vers la direction incidente des rayons du spectre 1

si la goutte est parfaitement sphérique (ce qui arrive lorsqu'elle est fine et que son propre poids ne la déforme pas) la lumière peut subir une seconde réflexion interne suivie d'une seconde réfraction...d'où l'existence d'un second spectre (en B) lui aussi globalement dirigé vers la direction incidente et inversé par rapport au premier

- les deux arcs constituent une image virtuelle à l'infini...pourquoi ?

réponse: un observateur situé devant la goutte, disons à gauche sur la figure, voit revenir vers lui les rayons des spectres 1 et 2,...pour lui ces rayons sont ceux d'une image à l'infini située de l'autre coté de la goutte ( à droite sur la figure) ...cette image est  donc dans l'espace objet de la goutte ... elle est virtuelle.

- pourquoi la forme circulaire est-elle toujours celle prise par les spectres?

réponse: les gouttes sont sphériques, elles agissent de la même façon dans toutes les directions (isotropie)...(imaginez que la direction incidente fasse le tour de la goutte en restant parallèle à elle même)..or le cercle est la seule figure isotrope du plan, ce qui fait que l'image à l'infini des spectres sont bien deux cercles.

- les arcs ont une ouverture angulaire de 42° pour le premier et 51 ° pour le second...pourquoi?

réponse: il faut faire le calcul des lois des angles de réflexion et de réfraction successifs pour aboutir à ce résultat..faites le à titre d'exercice avec un n moyen de 4/3 pour l'indice de l'eau et rechercher les positions angulaires maximales des rayons réfractés par rapport à la direction incidente

- voilà ce que voit l'observateur, en guise de conclusion de ce petit résumé

pour plus et encore plus et toujours plus de détails.....

--> ce site vous aidera à approfondir la question   et celui-ci aussi: ENS Lyon

 

au sujet de la photo: la beauté des arc en ciel est le bien de l'humanité entière

                               je ne m'accorde aucun droit photographique sur ce cliché

                               j'en enverrai une épreuve JPG par courriel à qui le voudra

bon surf et surtout...en cas de "ciel après la pluie" ce week-end, préparez votre APN (appareil photo numérique bien-sûr)

 

le BTS TPIL porte un nom peu explicite sur son contenu réel.

En effet qu'est-ce que les techniques physiques pour l'industrie et le laboratoire?
Ce n'est pas industrie et laboratoire qui sont inexplicites, bien au contraire...non c'est l'intitulé techniques physiques qui l'est vraiment...

Qu'est-ce qu'une technique physique? On connait les travaux physiques ( pas toujours réputés comme très agréables...et synonymes de pénibles)...doit-on craindre que les techniques en question  le soient elles aussi tout autant ?

Et puis ce mot de "techniques", c'est pas un peu ringard ça?

Quand on regarde le contenu des programmes, et à plus forte raison quand on l'enseigne, on se rend compte que l'appellation de ce BTS n'est pas très bien choisie, et pour le moins assez peu attrayante.

il serait plus juste de dire que le BTS TPIL est un BTS de Physique Appliquée, fondé majoritairement sur l'étude expérimentale des matières suivantes:

   Electronique-Electrotechnique
         Mécanique-Thermodynamique
               Optique géométrique, photonique et ondulatoire
                     Chimie Minérale et Radioactivité



au cours de cette étude, à l'occasion des Travaux Pratiques, ces matières sont abordées dans le sens découverte->description->compréhension->application

ensuite, par des séances de cours magistral, ces matières sont approfondies dans un contexte plus théorique.

prenons un exemple: étude de la diffraction de Fraunhofer en Optique ondulatoire

découverte: à l'aide d'un matériel moderne ( fente micrométrique, laser, capteur webcam, logiciel d'acquisition et de traitement d'image ) l'étudiant explore les différents aspects de la diffraction

description: traitant les clichés obtenus, celui ci essaie de fournir une description (schéma + texte) de ce qu'il observe, en fournissant quelques éléments de mesure: taille relative des zones d'éclairement, alternance des extinctions, symétrie etc...relation entre la forme et la dimension de la fente et celle des raies présentes dans l'image...

compréhension: en étudiant les aspects de l'image dans deux situations extrêmes, fente fermée et fente totalement ouverte, notre étudiant établit le rapport entre les dimensions de la fente et la longueur d'onde de la lumière...il constate la non obéissance aux principes de l'optique géométrique dans la première situation...afin de mieux appréhender le phénomène il établit certains étalonnages ( ouverture angulaire du maximum central en fonction de la longueur d'onde par exemple ou de la largeur de la fente)

application: sans connaître encore la loi théorique de diffraction, il est procédé à des mesures de longueurs d'onde inconnues ou à des dimensions de petits objets diffractants (fil par exemple) en utilisant les étalonnages précédents

le cours: il traite dans son ensemble de l'aspect ondulatoire du phénomène et utilise les observations menées en TP pour comprendre une loi qui est présentée sans justification mathématique préalable...par exemple on montre ici que la distribution de lumière (la figure de diffraction) est bien une transformation de Fourier de la fonction d'ouverture (la fente); on ne le démontre pas on le vérifie.

Il en est de même de toutes les autres matières de la section, la démarche est la même.

Le BTS TPIL est un BTS qui mène aux "métiers des applications de la Physique" et qui permet aussi à des étudiants un peu découragés par l'approche trop théorique de la Physique de pouvoir l'aborder sous une autre face, pour mieux la comprendre

Ce BTS n'est pas une fin en soi, c'est un tremplin de niveau BAC + 2 qui donne une excellente culture et expèrience de la Physique Appliquée, et qui permet parfois de trouver aussi un emploi immédiat (bureau d'étude, comme notre ancien étudiant Johnny ).

Il est particulièrement recommandé pour les étudiants qui souhaitent accèder à certaines formations scientifiques ( écoles d'ingénieur ou université) par une autre voie que celle des classes prépa ou celle du DEUG.

en cliquant ici vous aurez des exemples de ces formations

et ici des renseignements administratifs sur le BTS TPIL de mon lycée