Lumière, rayon lumineux et indice
Cours · optique géométrique (PTSI), chapitre 1 · CPGE PTSI (1re année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun
L'optique géométrique décrit la lumière à l'aide d'un objet idéalisé : le rayon lumineux. Ce modèle, d'une remarquable simplicité, explique la formation des images par les miroirs et les lentilles — objet de tout ce livre. Mais avant de tracer des rayons, il faut préciser ce qu'est une source de lumière, comment la caractériser par son spectre, et comment un milieu transparent modifie la propagation à travers son indice.
On verra aussi que le modèle du rayon a des limites : il cesse d'être valable lorsque la lumière rencontre des objets de taille comparable à sa longueur d'onde — c'est alors la diffraction (étudiée dans le livre des ondes) qui domine.
1.1 Sources lumineuses et spectre
La lumière est une onde électromagnétique ; la lumière visible correspond aux longueurs d'onde (dans le vide) comprises entre environ (violet) et (rouge).
Une source ponctuelle est une source de dimension négligeable, d'où la lumière diverge dans toutes les directions. Elle est monochromatique si elle n'émet qu'une seule longueur d'onde (une seule « couleur »). C'est un modèle idéalisé, brique de base de l'optique géométrique.
Le spectre d'une source est la répartition de son intensité selon la longueur d'onde. On distingue :
- les spectres continus (toutes les longueurs d'onde d'un domaine sont présentes) : corps incandescent, soleil ;
- les spectres de raies (quelques longueurs d'onde discrètes) : lampes spectrales, tubes à gaz — chaque élément a ses raies caractéristiques.
On caractérise une source par son spectre, et l'on relie la longueur d'onde dans le vide à la couleur perçue.
Exercices du chapitre
- Quand une source est-elle ponctuelle ? corrigé
- Le spectre de l'hydrogène corrigé
- Éclairer une table : la loi en corrigé
- Éclipses : la longueur du cône d'ombre corrigé
- Rømer et les éclipses de Io corrigé
- Le retard optique corrigé