Optique géométrique et physique - Ondes - Cours et exercices corrigés (PCEM - DEUG)

Dans cet ouvrage consacré à l'étude de l'Optique et des Ondes pour P.C.E.M. et la première année de D.E.U.G., trois priorités s'imposent :
– montrer la cohérence logique de la conception de l'optique physique et de l'optique géométrique au sein de la physique,
– introduire les applications pratiques à la biologie, comme l'étude de l'oeil et de sa forme, celle de la loupe, du microscope, du microscope électronique, de la fibre optique, des limites instrumentales dues à la diffraction et l'échographie ultrasonore,
– enfin montrer que de nombreuses investigations sur ce canevas de base sont actuellement accessibles avec les moyens de calcul étudiés et pratiqués en classe de Terminale. Dans cette dernière perspective, on met en équation les mirages, les caustiques dans des cas simples de forme de miroir ou on étudie l'amplitude de l'écho ultrasonore.
Le choix de ces priorités détermine le mode de présentation en un bref cours, cadre logique et introductif aux méthodes de calcul de l'optique géométrique et physique et en exercices résolus qui permettent l'apprentissage et le développement de ces méthodes. Entre l'apprentissage et le développement de ces techniques, le niveau des exercices varie largement. Aussi afin de faciliter soit une première lecture sans difficulté, soit une recherche rapide des difficultés essentielles ici traitées, nous avons codé ce parcours à l'aide d'astérisques :
* signifie : exercice d'apprentissage sans difficulté particulière,
** désigne un exercice d'apprentissage élaboré qui demande la maîtrise simultanée de plusieurs techniques élémentaires,
*** indique la présence de difficultés de calcul, présence compensée par l'intérêt du résultat, c'est à dire du point de vue, en utilisant le langage des guides touristiques.
Bien entendu la présence de cours et d'exercices de difficulté graduée propose de fait des parcours de lecture diversifiés, avec des allers et retours entre cours et exercice vivement conseillés. Une telle perspective montre que le canevas propre du cours se réduit fortement et que bien des études énumérées dans le cours peuvent être considérées comme des exercices d'un caractère assez général.
SOMMAIRE
I. Introduction : • optique géométrique, optique physique • optique géométrique • aspect ondulatoire
II. Propagation : • principe de Fermat (mise en équation des mirages, relations de Descartes) • stigmatisme absolu : optiques à stigmatisme absolu (miroirs paraboliques et elliptiques…) caustiques
III. Un instrument singulier : le prisme • déviation, déviation minimale • déviation des prismes de faible angle aux petits angles • indice : relation de Cauchy et arcs-en-ciel • réflexion totale
IV. L'optique selon l'approximation de Gauss : • les relations de conjugaison homographiques • la géométrie projective
IV bis. Stigmatisme approché, suite : • les instruments simples • les miroirs sphériques, miroirs à facettes • le dioptre sphérique • les lentilles minces, lentilles de Fresnel
V. Introduction aux systèmes centrés : champ et latitude de mise au point • l'oeil • la loupe • le microscope
VI. Introduction à la microscopie électronique
VII. Aspect ondulatoire : Interférence et Diffraction • figure de diffraction à deux sources : trous et fentes d'Young • diffraction par un réseau de lignes • diffraction par une ouverture rectangulaire • pouvoir de résolution
VIII. Propagation d'onde et réponse d'un milieu ou d'une interface à une excitation extérieure • modèle atomique : résonances • modèle continu : impédance acoustique • relations de Fresnel, • application à l'échographie acoustique