Chapitre 8 – Approximation de l’optique géométrique, rayon lumineux
Le phénomène, décrit ci-dessus, d’élargissement de la zone éclairée autour de l’image
géométrique est caractéristique d’un comportement ondulatoire. Tout se passe comme
si tous les points du trou se comportaient comme des sources secondaires, réémettant de la lumière dans toutes les directions. Cet éparpillement de la lumière est
appelé diffraction : ce phénomène, présenté en terminale, sera approfondi en deuxième
année. On peut s’en rendre compte en regardant une source lumineuse de petite taille
(comme un réverbère au loin) à travers un rideau en voile fin. Au lieu d’une seule
tache lumineuse, on observe d’autres taches lumineuses autour de la tache centrale.
Le phénomène de diffraction ne se rencontre pas qu’avec la lumière mais avec toute
onde comme les ondes sonores par exemple.
Il se présente chaque fois que l’on limite le faisceau par une ouverture de très petites
dimensions.
2. Aspect ondulatoire
Dans ce paragraphe, on rappelle et on complète certaines notions sur les ondes vues
en terminale.
2.1 Phénomène ondulatoire
− →
E
− →
B
direction
de propagation
Figure 8.2 Propagation du
champ électromagnétique.
En 1665, R. Hooke émet l’idée que la
lumière est une vibration de haute fréquence
qui se propage. Cette hypothèse est développée par Huygens puis par Young au début du
XIX
e siècle pour interpréter les phénomènes
d’interférences et par Fresnel pour expliquer
la diffraction. Entre-temps, Newton a émis
l’idée d’une nature corpusculaire, qui sera
reprise au XX
e siècle par Einstein et Planck.
Maxwell, après avoir construit la théorie de
l’électromagnétisme (1876), affirme que la
lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide à la vitesse de
3.10
8 m.s −1 . Il précise que l’onde est transverse, c’est-à-dire que le champ électrique
− →
E et le champ magnétique
− →
B sont perpendiculaires à la direction de propagation
(Cf. figure 8.2). C’est en fait au carré de la norme de
− →
E qu’est directement reliée
l’intensité lumineuse.
On s’intéresse ici au cas particulier des ondes sinusoïdales polarisées rectilignement
(c’est-à-dire telles que le vecteur champ électrique garde une direction constante), à
partir desquelles on peut obtenir, par superposition, toute onde électromagnétique.
Dans le cas d’une onde sinusoïdale qui se propage selon l’axe Ox, dans le sens des x
croissants, l’expression du champ électrique en fonction du temps et de la position est
198
Le phénomène, décrit ci-dessus, d’élargissement de la zone éclairée autour de l’image
géométrique est caractéristique d’un comportement ondulatoire. Tout se passe comme
si tous les points du trou se comportaient comme des sources secondaires, réémettant de la lumière dans toutes les directions. Cet éparpillement de la lumière est
appelé diffraction : ce phénomène, présenté en terminale, sera approfondi en deuxième
année. On peut s’en rendre compte en regardant une source lumineuse de petite taille
(comme un réverbère au loin) à travers un rideau en voile fin. Au lieu d’une seule
tache lumineuse, on observe d’autres taches lumineuses autour de la tache centrale.
Le phénomène de diffraction ne se rencontre pas qu’avec la lumière mais avec toute
onde comme les ondes sonores par exemple.
Il se présente chaque fois que l’on limite le faisceau par une ouverture de très petites
dimensions.
2. Aspect ondulatoire
Dans ce paragraphe, on rappelle et on complète certaines notions sur les ondes vues
en terminale.
2.1 Phénomène ondulatoire
− →
E
− →
B
direction
de propagation
Figure 8.2 Propagation du
champ électromagnétique.
En 1665, R. Hooke émet l’idée que la
lumière est une vibration de haute fréquence
qui se propage. Cette hypothèse est développée par Huygens puis par Young au début du
XIX
e siècle pour interpréter les phénomènes
d’interférences et par Fresnel pour expliquer
la diffraction. Entre-temps, Newton a émis
l’idée d’une nature corpusculaire, qui sera
reprise au XX
e siècle par Einstein et Planck.
Maxwell, après avoir construit la théorie de
l’électromagnétisme (1876), affirme que la
lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide à la vitesse de
3.10
8 m.s −1 . Il précise que l’onde est transverse, c’est-à-dire que le champ électrique
− →
E et le champ magnétique
− →
B sont perpendiculaires à la direction de propagation
(Cf. figure 8.2). C’est en fait au carré de la norme de
− →
E qu’est directement reliée
l’intensité lumineuse.
On s’intéresse ici au cas particulier des ondes sinusoïdales polarisées rectilignement
(c’est-à-dire telles que le vecteur champ électrique garde une direction constante), à
partir desquelles on peut obtenir, par superposition, toute onde électromagnétique.
Dans le cas d’une onde sinusoïdale qui se propage selon l’axe Ox, dans le sens des x
croissants, l’expression du champ électrique en fonction du temps et de la position est
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