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1 2 BG / S1/ 202 asriya A ouakchott Al N niversité de U Faculté des Sciences et

1 2 BG / S1/ 202 asriya A ouakchott Al N niversité de U Faculté des Sciences et Techniques Département de Physique Optique et : Cours phy1700 Mécanique Dr. Aminetou Ahmedou Plan : Chp1: Optique Chp2: Mécanique de fluide Chap3: Thermodynamique 2 Chapitre 1: Optique 1. Introduction L’Optique est la partie de la physique qui étudie les propriétés de la lumière. 2. Généralité sur La lumière La lumière est une onde électromagnétique traversant le vide à la vitesse constante C, de 3 × 10଼m/s. L’onde électromagnétique est caractérisée par : • Une fréquence ; • Une longueur d’onde ; • Une vitesse de propagation. La fréquence et la longueur d’onde sont liées par la relation: ߣ= ܥ/ ߴ où : • ߣ : longueur d’onde en mètre. • ܥ: est la vitesse en m.s-1. • ߴ : fréquence en Hz. Le tableau suivant donne une idée des longueurs d’onde de différents types de rayonnement : Longueur d’onde (dans le vide) Domaine Commentaire Plus de 10 m radio de 1 mm à 30 cm micro-onde (Wifi, téléphones portables, radar, etc.) de 780 nm à 500 µm infrarouge de 380 nm à 780 nm lumière visible rouge (620-780 nm) orange (592-620 nm) jaune (578-592 nm) vert (500-578 nm) bleu (446-500 nm) violet (380-446 nm) 3 de 10 nm à 380 nm ultraviolet de 10-11 m à 10-8 m rayon X < à 5 x 10-12 m Rayon γ (gamma) Figure : spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique représente la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d'onde.) Onde monochromatique : C’est une onde qui vibre a une fréquence fixée (lambda unique ) → exemple : la lumière rouge ߣ= 780 ݊݉ . La source : laser , lampe a vapeur de sodium… Onde polychromatique : Onde composées d’onde vibrantes à des fréquences différents → exemple: lumière blanche. 3. Dualité onde - corpuscule. En physique, la dualité onde – corpusculaire est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter des propriétés d'onde et parfois des propriétés de corpuscules, donc la lumière présente deux aspects à la fois ondulatoires, d’où le concept de longueur d'onde et corpusculaire comme en témoignent les photons. Hugens considère que la lumière est composée d'ondes, et celle de Newton qui considérait la lumière comme un flot de corpuscules. A la suie de travaux d’Einstein et Louis de Broglie et de bien d'autres, les théories scientifique modernes accordent à '' tous les objets une doubles nature d'onde et de corpuscule, bien les deux visions coexistent simultanément, on parle de ´ dualité onde-corpuscule''. l'énergie du photon ࡱ est liée à la fréquence de l’onde ࣖ par la relation : ࡱ= ࢎ ࣖ= ࢎ ࡯/ ࣅ 4 où ࢎ est la constante de Planck (h=6.63 x 10-34 J.s), c = vitesse de la lumière et  = longueur d’onde du photon. La quantité de mouvement d’un photon est liée à sa longueur d’onde par la relation : ࢖= ࢎ / ࣅ p en N.s 4. Effet photoélectrique L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un métal lorsqu’il est éclairé par une lumière convenable. 4.1- Hypothèse d’einstein Pour extraire un électron dans un métal il faut fournir de l’énergie appelée énergie d’extraction. Einstein interprète l’effet photoélectrique en formulant les hypothèses suivantes. - la lumière est constituée par un ensemble de corpuscules, appelés photons, transportant chacun un quantum (des quanta) d’énergie. - Un photon a une charge nulle et une masse nulle; il se déplace à la vitesse de la lumière, soit C=3 × 10଼m/s dans le vide. - Chaque photon d’un rayonnement monochromatique de fréquence ν transporte un quantum ࡱ= ࢎ ࣖ= ࢎ ࡯/ ࣅ avec E s’exprime en joule (J). - L’effet photoélectrique correspond à l’interaction (choc) entre un photon incident et un électron du métal avec transfert de l’énergie du photon à l’électron extrait. 4.2- Cas de la cellule photoélectrique Lorsqu’elle est éclairée par une lumière convenable la cathode C émet des électrons. Ces électrons sont captés par l’anode A. Il en résulte dans le circuit 5 extérieur un courant de faible intensité qu’on peut lire sur le galvanomètre G. Lorsqu’on éclaire la cellule photoélectrique par une lumière convenable, on constate que la tension ܷ ஺஼ varie avec l’intensité de courant I. Si ܷ ஺஼ > 0, les électrons émis par la cathode sont attirés par l’anode et son nombre croit avec la tension UAC avant de se stabiliser pour une certaine valeur de l’intensité de courant appelée intensité de saturation Is. Si ܷ ஺஼ ≥ −ܷ଴, l’intensité est nulle et aucun électron émis par C ne parvient à A. 4.3- Seuil photoélectrique L’énergie cinétique est toujours positive donc l’énergie du photon incident ࡱ= ࢎ ࣖ doit être supérieure au travail d’extraction ࢃ૙ pour trouver l’effet photoélectrique. ࢎ ࣖ < ࢃ૙ ou ࣖ <ࣖ૙ pas d’effet photoélectrique. ࢎ ࣖ = ࢃ૙ ou ࣖ =ࣖ૙ L’électron est extrait mais son énergie cinétique est nulle , il ne va pas loin ! ࢎ ࣖ > ࢃ૙ ou ࣖ > ࣖ૙ L’électron est extrait et acquiert (a) une énergie cinétiq ue, il quitte le métal. *ࢃ૙= ࢎ ࣖ૙ énergie d’extraction qui ne dépend que de la nature du métal ( ࣖ૙ est la fréquence seuil )ࣖ૙= ࡯ࣅ૙ ⁄ , ࣅ૙ la longueur d’onde seuil). L’énergie cinétique est donnée par la relation : ࡱࢉ= ࢎ ࣖ−ࢃ૙ ࡱࢉ= ࢎ(૔−ࣖ૙) = ૚ ૛ ࢓ ࢂ࢓ࢇ࢞ ૛ ࢓ est la masse d’un électron: ࢓= ૢ. ૚ × ૚૙ି૜૚ ࢑ࢍ Intensité de saturation Potentiel d’arrêt 6 4.4- La tension d’arrêt C’est tension qu’il faut appliquer aux bornes de l’anode et la cathode pour arrêter le courant photoélectrique, c’est une tension négative. La loi de conservation de l’énergie, montre que cette tension est en relation avec l’énergie cinétique maximale ࡱࢉ des électrons : ࡱࢉ= ࢋ ࢁ૙ 4.5- Puissance d’un faisceau monochromatique Le nombre ࡺ de photons transportés par un seconde par un rayonnement monochromatique de fréquence ࣖ est lié à la puissance P du faisceau par: ࡼ= ࡺࢎ ࣖ/∆࢚ 4.6- L'intensité du courant de saturation Courant obtenu dans une chambre d'ionisation lorsqu'un nouvel accroissement de tension ne produit pas d'augmentation de courant ࡵ࢙ࢇ࢚= ࢔ ࢋ/∆࢚ Ou ࢔ est le nombre de photons efficaces (qui arrachent les électrons) Exercice d’application : Une lumière poly chromatique comprenant 3 radiations (λ1=450 nm ; λ2= 610 nm ; λ3=750 nm) irradie un échantillon de potassium, contenu dans une ampoule. L'énergie d'ionisation vaut 2,14 eV (énergie nécessaire à arracher un électron de l'atome de potassium). 1. Etablir la relation E(eV) = 1240 ev nm / λ(nm) 2. quelle(s) radiation(s) donne(nt) lieu à l'effet photoélectrique ? 3. Quelle est la vitesse des électrons expulsés du métal ? Masse de l'électron 9,1 10-31 kg. 7 Optique géometrique: L’optique géométrique s’intéresse à la lumière qui est réfléchie ou déviée (réfractée) par différents procédés. 1- L’indice de réfraction L’indice de réfraction (n) d’un milieu est définit comme le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide (c) par la vitesse de la lumière dans ce milieu (v) : ݊= ܥ ܸ > 1 L’indice de réfraction ne possède pas d’unité. Indice de réfraction Milieu ≈1 Air 1.33 Eau 1.52 Verre Dans un milieu : • Homogène: mêmes propriétés en tout point. • Isotrope: mêmes propriétés dans toutes les directions, Dans un milieu homogène, transparent et isotrope, les rayons lumineux sont des lignes droites. 2- Les lois de Snell-Descartes (réflexion et réfraction) Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Avec la propagation rectiligne de la lumière dans les milieux homogènes et isotropes. Dioptre : est une surface qui sépare deux milieux d'indices de réfractions différents. 8 Plan d’incidence : défini par le rayon incident et la normale. Une partie du rayon est réfléchie : réflexion Une partie du rayon est réfractée : réfraction Le milieu 1 est dit moins réfringent que le milieu 2 si ݊ଵ< ݊ଶ et vice versa ݅ଵ∶ angle d'incidence ଓଵ ́̇ ∶ angle de réflexion ݅ଶ∶ angle de réfraction 2.1. Loi du plan d’incidence Le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont contenus dans le plan d’incidence 2.2. Loi de la réflexion L’angle d’incidence et l’angle de réflexion sont égaux et opposés: ݅ଵ= ଓଵ ́̇ 2.3. Loi de la réfraction Les angles d’incidence ݅ଵ et de réfraction ݅ଶ sont liés par la relation : ݊ଵsin ݅ଵ= ݊ଶsin ݅ଶ 3- Conséquences Le rayon réfracté se rapproche de la normale quand la lumière passe d'un milieu moins réfringent à un milieu plus réfringent. À l'inverse, lorsque la lumière passe d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent, le rayon réfracté s'éloigne de la normale . 9 4- Angle limite d’incidence ࢏૚ ࢒࢏࢓ et réflexion totale : cas ࢔૛< ࢔૚ Lorsque l’angle d’incidence varie de 0° à ݅ଵ ௟௜௠ , on observe à la fois un rayon réfléchi et un rayon réfracté. Quand l’angle d’incidence varie de ݅ଵ ௟௜௠ à ૢ૙°, on n’observe plus de rayon réfracté, il n’y a qu’un rayon réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale. ܛܑܖ࢏૚ ࢒࢏࢓= ࢔૛ ࢔૚ ܛܑܖૢ૙° = uploads/Finance/ chp1-2.pdf