Optique géométrique

Objectif d'apprentissage 13.1.A : Décrire la lumière comme un rayon.

• 13.1.A.1 Un rayon lumineux est une ligne droite perpendiculaire à la front d'onde d'une onde lumineuse et pointant dans la direction de propagation de l'onde.
  • 13.1.A.1.i Les rayons lumineux peuvent être utilisés pour déterminer le comportement de la lumière en optique géométrique, où la nature ondulatoire de la lumière peut être négligée.
  • 13.1.A.1.ii Les rayons ne suffisent pas à comprendre l'étalement de la lumière. Dans les interférences et la diffraction, la nature ondulatoire de la lumière est importante.
  • 13.1.A.1.iii Un laser est une source courante d'un faisceau unique de lumière cohérente et monochromatique qui peut être modélisé comme un rayon. La nature ondulatoire des lasers sera considérée dans l'Unité 14.
• 13.1.A.2 Les diagrammes de rayons représentent le trajet de la lumière avant et après une interaction avec la matière.

Objectif d'apprentissage 13.1.B : Décrire la réflexion de la lumière sur une surface.

• 13.1.B.1 La lumière incidente sur une surface peut être réfléchie.
• 13.1.B.2 La loi de la réflexion stipule que l'angle entre le rayon incident et la normale (la ligne perpendiculaire à la surface) est égal à l'angle entre le rayon réfléchi et la normale.
  • Équation : $\theta_i = \theta_r$
• 13.1.B.3 La réflexion diffuse est la réflexion de la lumière sur une surface rugueuse et entraîne une lumière réfléchie dans de nombreuses directions différentes, car la ligne normale à la surface varie sur la zone sur laquelle la lumière est incidente.
• 13.1.B.4 La réflexion spéculaire est la réflexion de la lumière sur une surface lisse et entraîne une lumière uniformément réfléchie par la surface, car la ligne normale à la surface a une direction approximativement constante sur la zone que la lumière frappe.

Objectif d'apprentissage 13.2.A : Décrire l'image formée par un miroir.

• 13.2.A.1 Les rayons lumineux incidents parallèles à l'axe principal d'un miroir concave (convergent) seront réfléchis vers un lieu commun, appelé foyer.
• 13.2.A.2 Les rayons lumineux incidents parallèles à l'axe principal d'un miroir convexe (divergent) seront réfléchis de telle sorte qu'ils semblent provenir d'un lieu commun derrière le miroir, appelé foyer.
• 13.2.A.3 Le foyer d'un miroir plan est situé à une distance infinie du miroir.
• 13.2.A.4 Le foyer d'un miroir sphérique peut être approximé comme un point situé sur l'axe principal du miroir à mi-chemin entre la surface du miroir et le centre du rayon de courbure du miroir.
• 13.2.A.5 Une image réelle est formée par un miroir lorsque des rayons lumineux émanant d'un point commun sont réfléchis puis se croisent en un point commun.
• 13.2.A.6 Une image virtuelle est formée par un miroir lorsque des rayons lumineux réfléchis divergent de telle sorte qu'ils semblent provenir d'un point commun.
• 13.2.A.7 L'emplacement d'une image dépend de la distance focale du miroir et de la distance entre l'objet et la surface du miroir.
  • Équation : $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.2.A.7.i Les emplacements du foyer d'un miroir, d'un objet près du miroir et de l'image de l'objet formée par le miroir suivent des conventions de signe utilisées pour déterminer ces emplacements par rapport au miroir lui-même.
  • 13.2.A.7.ii La distance entre l'image formée et un miroir plan est égale à la distance entre l'objet et le miroir plan.
• 13.2.A.8 Le grossissement d'une image formée par un miroir est le rapport de la taille de l'image produite à la taille même de l'objet et dépend des emplacements de l'objet et de l'image par rapport au miroir.
  • Équation : $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.2.A.9 Les diagrammes de rayons peuvent être utilisés pour déterminer l'emplacement, le type, la taille et l'orientation des images formées par les miroirs.
  • 13.2.A.9.i Les trois rayons principaux sont généralement utilisés pour trouver les images formées par les miroirs. Les rayons principaux sont 1) le rayon parallèle à l'axe principal, 2) le rayon qui se reflète au centre du miroir où l'axe principal intersecte le miroir, et 3) le rayon qui passe par le foyer du miroir.
  • 13.2.A.9.ii Les images formées par un miroir peuvent être droites ou inversées, virtuelles ou réelles, et réduites, agrandies ou de la même taille que l'objet.

Énoncé limite : AP Physics 2 limite l'étude des miroirs aux miroirs plans, aux miroirs sphériques convexes et aux miroirs sphériques concaves.

Objectif d'apprentissage 13.3.A : Décrire la réfraction de la lumière entre deux milieux.

• 13.3.A.1 La réfraction est le changement de direction d'un rayon lumineux alors que celui-ci passe d'un milieu à un autre.
• 13.3.A.2 La réfraction est le résultat du changement de vitesse de la lumière lorsque celle-ci entre dans un nouveau milieu.
• 13.3.A.3 L'indice de réfraction d'un milieu donné est inversement proportionnel à la vitesse de la lumière dans ce milieu.
  • Équation : $n = \dfrac{c}{v}$
• 13.3.A.4 La loi de Snell relie les angles d'incidence et de réfraction d'un rayon lumineux passant d'un milieu à un autre aux indices de réfraction des deux milieux.
  • Équation : $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
  • 13.3.A.4.i Lorsqu'un rayon lumineux voyage d'un milieu ayant un indice de réfraction plus élevé vers un milieu ayant un indice de réfraction plus faible, le rayon se réfracte en s'éloignant de la normale.
  • 13.3.A.4.ii Lorsqu'un rayon lumineux voyage d'un milieu ayant un indice de réfraction plus faible vers un milieu ayant un indice de réfraction plus élevé, le rayon se réfracte en se rapprochant de la normale.
  • 13.3.A.4.iii Lorsqu'un rayon lumineux est incident le long de la normale à une surface, le rayon transmis n'est pas réfracté.
• 13.3.A.5 La réflexion totale interne peut se produire lorsque la lumière passe d'un milieu à un autre milieu ayant un indice de réfraction plus faible.
  • 13.3.A.5.i La réflexion totale interne de la lumière se produit au-delà d'un angle d'incidence critique.
    • Équation dérivée: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
  • 13.3.A.5.ii Pour les rayons incidents à l'angle critique, le rayon se réfracte à 90 degrés et voyage le long de la surface du matériau.
  • 13.3.A.5.iii Pour les rayons incidents au-delà de l'angle critique, toute la lumière est réfléchie (aucune lumière n'est transmise dans l'autre milieu).

Objectif d'apprentissage 13.4.A : Décrire l'image formée par une lentille.

• 13.4.A.1 Les rayons lumineux incidents parallèles à l'axe principal d'une mince lentille convexe (convergente) seront réfractés et convergeront vers un lieu commun sur le côté transmis de la lentille, appelé foyer.
• 13.4.A.2 Les rayons lumineux incidents parallèles à l'axe principal d'une mince lentille concave (divergente) seront réfractés et divergeront comme s'ils provenaient d'un foyer du côté incident de la lentille.
• 13.4.A.3 Une image réelle est formée par une lentille lorsque des rayons lumineux originaires d'un point commun sont réfractés de telle sorte qu'ils se croisent en un autre point commun.
• 13.4.A.4 Une image virtuelle est formée par une lentille lorsque des rayons lumineux réfractés divergent de telle sorte qu'ils semblent provenir d'un point commun.
• 13.4.A.5 Pour une lentille mince, la position d'une image dépend de la distance focale de la lentille et de la distance entre l'objet et le plan médian de la lentelle, comme indiqué par l'équation des lentilles minces :
  • Équation : $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.4.A.5.i Les positions du point focal d'une lentille, d'un objet et de l'image de cet objet formée par la lentille suivent des conventions de signe utilisées pour déterminer ces positions par rapport à la lentille elle-même.
  • 13.4.A.5.ii Les lentilles ont un point focal de chaque côté qui dépend de la forme respective de cette face de la lentille.
• 13.4.A.6 Pour une lentille mince, le grossissement d'une image est le rapport de la taille de l'image produite à la taille de l'objet lui-même et dépend des positions de l'objet et de l'image par rapport à la lentille.
  • Équation : $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.4.A.7 Les diagrammes de rayons peuvent être utilisés pour déterminer la position, le type, la taille et l'orientation des images formées par les lentilles.
  • 13.4.A.7.i Les trois rayons principaux sont généralement utilisés pour trouver les images formées par les lentilles. Les rayons principaux sont 1) le rayon parallèle à l'axe principal, 2) le rayon qui passe par le centre de la lentille où l'axe principal intersecte la lentille, et 3) le rayon qui passe par le point focal de la lentille.
  • 13.4.A.7.ii Les images formées par une lentille peuvent être droites ou inversées, virtuelles ou réelles, et réduites, agrandies ou de la même taille que l'objet.