Cours de Biophysique - 2022/2023 PDF

Cours de Biophysique S2 - MD8 2022/2023 Pr. Youssef Mir Université Ibn Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre IV : Biophysique de la vision Plan IV. BASES DE L'OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE...

Cours de Biophysique S2 - MD8 2022/2023 Pr. Youssef Mir Université Ibn Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre IV : Biophysique de la vision Plan IV. BASES DE L'OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE IV.1. Les Phénomènes lumineux IV.2. Prisme IV.3. Miroir sphérique IV.4. Dioptre sphérique IV.5. Les lentilles  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Sources de lumière: Source primaire: émet de la lumière (lampe, soleil et bougie) Source secondaire : réfléchir de la lumière (miroir) Les types de milieux : Milieu transparent: on voit nettement à travers (air, eau et verre) Milieu opaque: on ne voit pas à travers (mur, bois et carton) Milieu translucide: laisse passer la lumière, mais on ne voit pas à travers (verre dépoli) Matériau n Les systèmes optiques: Vide 1 Ce sont des systèmes transparents caractérisés par des indices de réfraction n différents séparés par des dioptres. Air 1 Eau 1.33 Verre optique 1.52 Diamant 2.42  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Faisceaux lumineux: Lois de Snell-Descartes: Les rayons réfléchis et réfractés sont dans le plan d'incidence N S N S Plan R n1 ϴ1 ϴ1 ϴ2 Plan d’incidence d’incidence ϴ2 R n2 1ère Loi de réflexion (ϴ1 = ϴ2) 2ème Loi de réfraction (n1sinϴ1 = n2sinϴ2)  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Réfraction et réflexion 1- Cas où n1 < n2 : réfraction limite S N n1 sin (i) = n2 sin (r) sin (i) > sin (r) (i) > (r) i Si (i) = 0 (sans déviation ) alors (r) = 0 Si (i) = π/2, l’angle de réfraction est maximal = (rlim) et sin (rlim) = n1/n2 n1 Dioptre n2 2- Cas où n1 > n2 : réflexion totale n1 sin (i) = n2 sin (r) r n1 > n2 sin (i) < sin (r) (i) < (r) r Si (r) = π/2, l’angle d’incidence limite est tel que: sin (ilim) = n2/n1 Si l’angle d’incidence est supérieur à ilim, il n’y n1 < n2 a plus de rayon réfracté (réflexion totale) Dioptre = miroir  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Objet réel, image virtuelle Image virtuelle: Image ne se Objet réel : Objet se situant pas dans l’espace image. situant dans l’espace objet. Objet réel: Tout objet placé en amont d'un système optique, dans le sens de propagation de la lumière, est un objet réel. Astrophysique sur mesure / B. Mollier  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Objet virtuel, image réelle Image réelle : Image se situant dans Objet virtuel: Objet ne se situant l’espace image pas dans l’espace objet. Le point A est un objet virtuel pour le miroir. Il n'existe pas physiquement. Son image est réelle, car on peut la faire apparaître sur un écran. Astrophysique sur mesure / B. Mollier  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Objet réel, image virtuelle La loupe La loupe est une lentille convergente qui, lorsqu'un objet est situé entre elle et son foyer, renvoie une image virtuelle agrandie. D. A. : Boris Klissourski  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Objet réel, image virtuelle Le microscope optique http://www.larousse.fr/encyclopedie/images/Microscope_optique/1003212  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Stigmatisme Stigmatisme : un système optique est dit de bonne qualité s’il donne d’une source ponctuelle une image ponctuelle Système optique Système optique rigoureusement stigmatique. A’ image de A A’ et A sont conjugués A A’ Système optique Stigmatisme approché: dans ce cas, l'image d'un point objet sur A’ A un écran ou un récepteur de lumière est une tache de d diffusion.  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Vergence et distance focale La vergence est un paramètre qui caractérise les propriétés de focalisation d’un système optique. C’est une grandeur algébrique, s’exprime en dioptries (δ). Distance focale: O Axe optique (droite F F’ passant par les deux centres). sens + Les distances focales sont égales lorsque le milieu des deux côtés du système optique est le même.  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Phénomènes lumineux Foyers F’ : foyer principal image de la lentille = F : foyer principal objet de la lentille = le point image d’un objet situé à l’infini le point objet d’une image située à l’infini Lentille convergente Lentille convergente Faisceau issu d’un point à l’infini Faisceau issu d’un point Lentille divergente Lentille divergente  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Prisme Un prisme est un milieu transparent limité par deux faces planes non parallèles (dioptres). Il est utilisé pour réfracter la lumière, la réfléchir ou la disperser en ces constituants. Face Face de A d’entrée sortie Base du prisme A Formules du prisme: sin (i) = n sin (r) sin (i’) = n sin (r’) r + r’ = A D = i + i’ - A  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Miroir sphérique Un miroir sphérique est caractérisé par : - Le centre C de la sphère appelé centre du miroir. - Le point S appelé sommet du miroir. - L’axe optique: axe de symétrie du miroir, passant par les points C et S. - Le rayon de la sphère R = SC, appelée rayon de courbure du miroir, quantité algébrique qui est négative pour un miroir concave et positive pour un miroir convexe. La mesure des Axe distances est optique algébrique. sens positif = sens de propagation de la lumière  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Miroir sphérique Objet et image (miroir concave) Objet réel, image virtuelle Objet et image réels Objet virtuel, image réelle  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Miroir sphérique Objet et image (miroir convexe) Objet virtuel, image réelle Objet réel et image virtuelle Objet virtuel, image virtuelle  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Miroir sphérique Relations de conjugaison Formule mathématique reliant la position d'un objet à celle de son image par un système optique. A est un objet réel situé sur l’axe optique du miroir A’ est l’image de A située au point d’intersection de deux rayons lumineux quelconques issus de A. A’ se trouve au point d’intersection du rayon réfléchi et de l’axe optique. La relation de conjugaison du miroir sphérique s’écrit :  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Miroir sphérique Grandissement – réelle/virtuelle Si AB a pour image A’B’, le grandissement γ est le rapport 𝐴′ 𝐵′ 𝑆𝐴′ 𝛾= =− algébrique de la taille de l’image à celle de l’objet : 𝐴𝐵 𝑆𝐴  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Dioptre sphérique Un dioptre sphérique est une surface sphérique de centre C séparant deux milieux d’indices de réfraction différents. Relation de conjugaison du dioptre sphérique V est la vergence ou la puissance du dioptre (unité : Dioptrie = m-1). -Si V > 0: dioptre convergent - Si V < 0: dioptre divergent Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Dioptre sphérique Grandissement/Image d’un objet 𝐴′ 𝐵′ 𝑛1 𝑆𝐴′ 𝛾= = 𝐴𝐵 𝑛2 𝑆𝐴  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Dioptre sphérique Foyer image et Foyer objet n2 si n1 < n2, F' est virtuel Foyer Image F' : SF '  SC n2  n1 si n1 > n2, F' est réel n1 Foyer Objet F : SF  SC si n1 < n2, F est virtuel n1  n2 si n1 > n2, F est réel  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces et lentilles épaisses Formule de conjugaison et de grandissement Une lentille est un système centré formé de deux dioptres dont l'un au moins est un dioptre sphérique. 1 1 V (vergence de la lentille) = V1 (dioptre 1) + V2 (dioptre 2) 𝑉= − 𝑆𝐴′ 𝑆𝐴 γ (grandissement de la lentille) = γ1 (dioptre 1) * γ2 (dioptre 2) 𝑛1 𝑆1 𝐴1 𝑛𝑆2 𝐴′ 𝛾 = 𝛾1 × 𝛾2 = × 𝑛𝑆1 𝐴 𝑛2 𝑆2 𝐴1 Une lentille est mince lorsque son épaisseur est négligeable 𝐴′ 𝐵′ 𝑛1 𝑆𝐴′ 𝑆𝐴′ devant les rayons de courbure de ses deux faces (S1 ≡ S2 ≡ S) 𝛾= = = 𝐴𝐵 𝑛2 𝑆𝐴 𝑆𝐴  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces - classification Les lentilles à bords épais Les lentilles à bords minces  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Lentille convergente - Lentille divergente Une lentille mince à bords Une lentille mince à bords minces est convergente. épais est divergente. Représentation de la lentille convergente et divergente: Lentille convergente Lentille divergente  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Foyer image et foyer objet Foyer image F’ 1 𝑂𝐹′ = 𝑉 Foyer objet F 1 𝑂𝐹 = − 𝑉 F et F’ sont symétriques par rapport à O. Pour une lentille convergente, F et F’ sont réels, alors que pour une lentille divergente, ils sont virtuels.  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Image réelle (Lentille convergente) Espace objet (image virtuelle) Espace objet (image réelle) Image est réelle renversée OA > 2f Espace objet (image virtuelle) Espace objet (image réelle) Image est réelle renversée OA = 2f Espace objet (image virtuelle) Espace objet (image réelle) Image est réelle renversée 2f > OA > f  Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Image virtuelle (Lentille convergente) Espace objet (image virtuelle) Espace objet (image réelle) Image est virtuelle droite OA < f L’image est virtuelle lorsqu’elle est située du même côté de la lentille que l’objet. Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Image virtuelle (Lentille divergente) Espace objet (image virtuelle) Espace objet (image réelle) Image est virtuelle droite Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Construction de l'image d'un objet Objet réel placé avant le foyer objet l’image est réelle et renversée. B A’ A F O F’ B’ B’ Objet réel placé entre le foyer objet et la lentille l’image est virtuelle, droite et toujours plus grande que l’objet: loupe B F A O F’ A’ Chapitre IV : Base de l’optique géométrique Les lentilles minces Construction de l'image d'un objet Objet virtuel l’image est réelle, droite et toujours plus petite que l’objet B’ B F O A’ F’ A Objet situé à l’infini B  l’image est située dans le plan focal image A’ A  F O F’ B’