Cours 2020-2021

Physique III - Optique [SPHYB114]

  • 3 crédits
  • 25h+10h
  • 2e quadrimestre
Langue d'enseignement: Français
Enseignant: Lobet Michaël

Acquis d'apprentissage

Au terme de son apprentissage, l'étudiant sera capable de :

  • comprendre les notions de base et concepts liés aux à l'optique géométrique, ondulatoire et quantique ;
  • appliquer ces connaissances à la compréhension de divers phénomènes physiques liés aux sciences de la vie (microscopie, fonctionnement d’un œil, endoscopie, imagerie de rayons X,…) ;
  • s’exprimer en termes scientifiques corrects ;
  • modéliser une situation de la vie quotidienne et/ou professionnelle en utilisant adéquatement les formules, lois et principes de l’optique ;
  • Développer un esprit critique scientifique et établir un raisonnement scientifique posé.

Objectifs

L’unité d’enseignement a pour objectifs :

  • de donner un socle de connaissances solide en physique, plus précisément dans le domaine de l'optique
  • de mettre en évidence les liens étroits existant entre l’optique et les sciences de la vie.

L'étudiant sera amené à comprendre la matière en profondeur, au-delà donc de la simple connaissance de lois et concepts.

Contenu

Ce cours de physique se base le plus souvent sur des observations et expériences simples réalisées au cours. De ces observations, on tire des enseignements, des raisonnements rigoureux et la déduction de lois physiques. Des démonstrations simples sont présentées ainsi qu’un exposé des lois fondamentale de l’optique. Ces lois sont ensuite appliquées à l’explication de phénomènes de la vie courante ou liés à la nature. Les liens entre l’optique et les sciences de la vie sont primordiaux dans ce cours (microscopie, fonctionnement d’un œil, endoscopie, imagerie de rayons X,…).

Table des matières

Le plan de cours suivant est donné à titre illustratif:

1. Introduction                                         

1.1 Aperçu historique  

1.2 La nature de la lumière

               1.2.1 Notion de réflexion, transmission, absorption

               1.2.2 Notion de longueur d’onde et d’ondes planes

1.3 Les différents modèles de la lumière

               1.3.1 Optique géométrique

               1.3.2 Optique ondulatoire  

1.3 .3 Optique quantique

1.4 Spectre électromagnétique

1.5 Milieu optique

               1.5.1 Vitesse de la lumière

               1.5.2 Indice de réfraction

               1.5.3 Dispersion  

1.6 Les sources de lumière

               1.6.1 Sources à incandescence

               1.6.2 Sources à luminescence

               1.6.3 Sources monochromatiques

 

2. Optique géométrique et instruments d’optique                                            

2.1 Hypothèses du modèle

               2.1.1 La lumière comme un rayon

2.2 La réflexion

               2.2.1 Loi de la réflexion

               2.2.2 Les miroirs plans

               2.2.3 Les miroirs sphériques

2.3 La réfraction

               2.3.1 Loi de la réfraction

               2.3.2 Le dioptre sphérique

               2.3.3 Le dioptre plan

2.4 Les lentilles minces  

               2.4.1 Types de lentilles

               2.4.2 Equation des lentilles minces

               2.4.3 Foyer et distance focale

               2.4.4 Formation des images

               2.4.5 Systèmes de lentilles

               2.4.6 Les aberrations des lentilles

2.5 Loupe

 

3. Optique ondulatoire                         

3.1 Hypothèses du modèle

               3.1.1 La lumière comme une onde électromagnétique

               3.1.2 La polarisation de la lumière

               3.1.3 La superposition des ondes

3.2 L’interférence des ondes

3.3 Le principe d’Huyghens

3.4 L’expérience de Young

3.5 La diffraction

               3.5.1 La diffraction par une fente

               3.5.2 Résolution et critère de Rayleigh

               3.5.3 Le réseau de diffraction

 

4. Optique quantique

              4.1 Hypothèses du modèle

                             4.1.1 La lumière comme une particule

                             4.1.2 Les processus fondamentaux de radiation

                             4.1.3 Dualité onde-corpuscule

              4.2 Le laser

              4.3 La fluorescence

 

5. Microscopie

5.1 Principe

5.2 Résolution et contraste

5.3 Microscopes polarisants,

5.4 Microscopie électronique

 

6. L’œil

              6.1 Modèle et fonctionnement

              6.2 Acuité visuelle et sensibilité

              6.3 Défauts et corrections

              6.4 Perception des couleurs et couleurs dans la nature

              6.5 Œil animal

 

7. L’endoscopie

              7.1 La réflexion totale interne

              7.2 L’endoscope

 

8. Imagerie rayons X

              8.1 Origine

              8.2 Processus d’interaction photon-matière

              8.3 Atténuation du photon

              8.4 Dose et contraste

              8.5 Diffraction de rayons X et structure de l’ADN

 

9. Oxymètrie colorimétrique

              9.1 Absorption et Beer-Lambert

              9.2 Oxymètre

              9.3 Composition du sang

              9.4 Taux d’oxygénation du sang

              9 .5 Rythme cardiaque

 

10. Tomographie par cohérence optique

Description des exercices

Séances d’exercices organisées en TD par un assistant en petits groupes (20 à 27 étudiants par groupe).

10 heures de séances d'exercices (TD) et de travaux pratiques sont liées à cette unité d'enseignement. Ces séances font partie d'un ensemble de TD et TP associés aux unités d'enseignement de Physique I (SPHY B112) et de Physique II (SPHY B113).


Méthodes d'enseignement

Les modalités d'enseignement et d'évaluation des unités d'enseignement ont été rédigées en fonction de la situation à la rentrée académique 2020-2021. Cependant, ces modalités pourraient faire l'objet de modifications en fonction de l'évolution de la crise sanitaire liée à la covid-19. Les étudiants seront informés de toute modification de la situation générale (passage à l'enseignement à distance partiel ou complet) par les autorités de l'UNamur tandis que les modifications propres à chaque unité d'enseignement leur seront communiquées par les enseignants, via webcampus

  • Les observations sont le plus souvent tirées d'expériences réalisées devant les étudiants, ou de sources multimedia
  • L'utilisation du tableau est favorisée pour présenter les concepts théoriques et les démonstrations
  • L'usage des projections "powerpoint" est restreint à des fins d'illustrations et de structuration du cours
  • Des séances d'exercices et de travaux pratiques, encadrées par des assistants, sont organisées par petits groupes, ce qui permet à l'étudiant d'appliquer les différents concepts théoriques.

Mode d'évaluation

Les modalités d'enseignement et d'évaluation des unités d'enseignement ont été rédigées en fonction de la situation à la rentrée académique 2020-2021. Cependant, ces modalités pourraient faire l'objet de modifications en fonction de l'évolution de la crise sanitaire liée à la covid-19. Les étudiants seront informés de toute modification de la situation générale (passage à l'enseignement à distance partiel ou complet) par les autorités de l'UNamur tandis que les modifications propres à chaque unité d'enseignement leur seront communiquées par les enseignants, via webcampus

Cette unité d'enseignement comprenant trois parties distinctes mais complémentaires, l’évaluation comprendra un examen sur le cours théorique, incluant des exercices (évaluation des travaux dirigés) et une évaluation continue sur les travaux pratiques.

Les travaux pratiques (TP) sont évalués de manière continue par les assistants/enseignants. Les TP sont obligatoires. En cas de maladie ou d’absence exceptionnelle à justifier auprès du secrétariat de la faculté, l'étudiant doit contacter l'assistant dès son retour à l'Université afin d'organiser une séance de récupération. Considérant que les TP font l'objet d'une évaluation continue, la note obtenue en cours d'année sera reportée sur les différentes sessions, le cas échéant. La note de TP ainsi obtenue est intégrée, ensuite, à la note de cours où elle intervient pour 15% de la note globale.

L'évaluation sur les travaux dirigés (TD) se déroule durant les sessions de juin et d’août, en même temps que les examens sur le cours théorique. L'examen écrit de TD demande de solutionner des exercices inspirés de ceux réalisés pendant l'année en séances TD. La note de TD ainsi obtenue est intégrée, ensuite, à la note de cours où elle intervient pour 20% de la note globale.

Les critères d'appréciation sont, essentiellement, la compréhension et la réflexion logique : à partir d'hypothèse(s) claire(s) et/ou de définitions précises, exprimer, parfois avec un minimum de développement mathématique, la perception 'physique' d'un problème ; on peut également demander d’expliquer une application. Une réponse nécessite souvent la présentation d'un schéma ou d'un graphe clair et convenablement dessiné.

L'examen sur le cours théorique et les TD est écrit en juin et août.

Les consignes précises seront communiquées en temps utile et certaines modifications aux présentes modalités d’évaluation pourront être apportées en fonction de l’évolution de la crise sanitaire.

 

Sources, références et supports éventuels

Les supports de cours seront disponibles en ligne et gratuitement sur Webcampus.

Les étudiants curieux iront également consulter : 

  • Physics for the life sciences – 3e édition - Martin Zinke Allmag
  • Physique, Eugène Hecht, De Boeck,  ISBN 978-2744500183
  • Physique, Joseph Kane et Morton Sternheim, Dunod, ISBN 2100071696
  • Physique III – Ondes, optique et physique moderne, Harris Benson, De Boeck, ISBN 9782804193812

Langue d'enseignement

Français

Lieu de l'activité

NAMUR

Faculté organisatrice

Faculté des sciences
Rue de Bruxelles, 61
5000 NAMUR

Cycle

Etudes de 1er cycle