La lumière et les ondes électromagnétiques

Synthèse du cour de physique 2H pour examen de JUIN 2011

Thème 3 : la lumière et les ondes électromagnétiques

Chapitre 1 : la propagation de la lumière

2. 3. Savoir l’évolution du modèle physique traitant des propriétés de la lumière et comprendre et expliquer les caractéristiques du modèle ondulatoire et corpusculaire.

La dualité onde-particule s'est imposée au terme d'une longue histoire où les aspects purement ondulatoires et corpusculaires ont été tour à tour privilégiés.

La première théorie complète de la lumière a été établie par le physicien néerlandais Christian Huygens au XVIIe siècle. Il proposait une théorie ondulatoire de la lumière et a en particulier démontré que les ondes lumineuses pouvaient interférer de manière à former un front d'onde se propageant en ligne droite. Toutefois, sa théorie possédait certaines limitations en d'autres domaines et fut bientôt éclipsée par la théorie corpusculaire de la lumière établie à la même époque par Isaac Newton.

Newton proposait une lumière constituée de petites particules, expliquant ainsi simplement les phénomènes de réflexion optique. Au prix de complications considérables, cette théorie pouvait également expliquer les phénomènes de réfraction à travers une lentille, et de dispersion d'un faisceau lumineux à travers un prisme.

Au début du XIXe siècle, les expériences de diffraction faites par Thomas Young et Augustin Fresnel ont démontré l'exactitude des théories de Christiaan Huygens : ces expériences prouvèrent que quand la lumière est envoyée sur un réseau de diffraction, on observe un motif d'interférence caractéristique, très semblable aux motifs résultant de l'interférence d'ondulations sur l'eau; la longueur d'onde de la lumière peut être calculée à partir de tels motifs.

Le point de vue ondulatoire n'a pas remplacé immédiatement le point de vue corpusculaire, mais s'est imposé peu à peu à la communauté scientifique au cours du XIXe siècle, surtout grâce à l'explication en 1821 par Augustin Fresnel du phénomène de polarisation de la lumière que ne pouvait expliquer l'autre approche, puis à la suite de l'expérience menée en 1850 par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. Ces équations furent vérifiées par maintes expériences et le point de vue de Huygens devint largement admis.

En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Huygens avec celle de Newton : il expliqua l'effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n'agit pas en tant qu'onde, en postulant l'existence des photons, quanta d'énergie lumineuse avec des qualités de particules. Einstein postula que la fréquence ν de cette lumière, est liée à l'énergie E des photons : E = hν (où h est la constante de Planck (6,626×10-34J s).

En 1924, dans sa thèse1, Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il associa la quantité de mouvement p d'une particule à une longueur d'onde λ, appelée longueur d'onde de Broglie : C'est une généralisation de la relation de Planck-Einstein indiquée ci-dessus, car la quantité de mouvement (ou l'impulsion) d'un photon est donnée par où c est la vitesse de la lumière dans le vide, et (si on remplace p et ν dans l'équation de de Broglie, on retrouve l'équation d'Einstein).

4. comprendre et expliquer ce qu’est un modèle scientifique

Un modèle scientifique est un ensemble d’hypothèse qui doit permettre d’expliquer tous les phénomènes connus concernant une certaine réalité

Suggérer de prévoir des phénomènes nouveaux

Jamais être considérer comme définitif

Coexistence de plusieurs modèles

Evolution au rythme des découvertes

5. comprendre et expliquer et appliquer et illustrer les propriétés de la lumière.

- la propagation de la lumière

Elle transporte l’E -> infrarouge : Eth

-> Ultraviolet : énergie ionisante

Dans un milieu homogène, elle se propage en ligne droite Deux faisceau peuvent se croiser en continuant en ligne droite :

-la réflexion de la lumière

Elle est réfléchie par certaines surfaces (miroir, plan d’eau,…) angle d’incidence=angle de réflexion :

-la réfraction de la lumière :

Elle est réfractée en passant d’un milieu transparent à un milieu à un autre

Les angles d’incidence et de réfraction sont liés par la loi :

sinîsinr = constante n (indice de réfraction eau-air = 1,33)

-la diffraction de la lumière :

La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. (En faveur du modèle ondulatoire)

-la décomposition de la lumière

C’est lorsque la lumière blanche (poly chromatique) est décomposée en lumière monochromatique dont l’ensemble = la lumière visible

-La polarisation de la lumière

Voir cours

comprendre, expliquer l’expérience des fentes de Young.

En 1801, il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles, et le projette sur un écran. La lumière est diffractée au passage des fentes et produit sur l'écran des franges d'interférence, c'est-à-dire une alternance de bandes éclairées et non-éclairées. Young en déduit la nature ondulatoire de la lumière.

Connaitre les différentes composantes du spectre électromagnétique

Un spectre électromagnétique, c’est la décomposition

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