Ce cours a pour objectifs d’apporter des outils pour appréhender le monde et les technologies qui nous entourent, permettant d’expliquer les phénomènes optiques. Basée sur des observations, des expérimentations et la réflexion, la physique recherche une explication simple, mais aussi complète que possible, pour aboutir à la formulation de lois, des modèles, ou des principes. L'acquisition de cette démarche, appelée le raisonnement scientifique, est une école de logique, une démarche rigoureuse. Le cours met donc l'accent sur la compréhension de concepts/notions et la réflexion.
Au terme de cette unité d’enseignement, l’étudiant sera capable de :
Ce cours d'optique ondulatoire et d'introduction à la photonique s'adresse aux étudiants du programme de bachelier en sciences physiques. Il vise la compréhension profonde des concepts d'optique, posant ainsi les bases pour les cours plus avancés et l'utilisation de l'optique dans d'autres aspects de la physique. En particulier, l'optique ondulatoire qui est essentiellement vue de manière phénoménologique ouvre à l'électrodynamique qui formalisera de nombreux concepts, et l'introduction à la photonique ouvre la porte à la mécanique quantique, à l'optique quantique et à la physique des lasers.
Le cours comprend une révision rapide des concepts abordés lors du cours de physique générale en première année. Il établit l'équation d'onde et l'applique au cas de l'optique. La propagation de la lumière est étudiée selon les principes de Huygens et Fermat, incluent le passage d'une interface entre deux milieu. Les intérférences entre deux ondes sont ensuite étudiées, menant à l'étude de la diffraction. Le cours enchaine ensuite le la notion de corps noir et les problèmes soulevés en mécanique classique. Une introduction à la mécanique quantique est amnée pour répondre à ces incohérence, et la notion de photon est établie.
Chapitre I: introduction
1) Optique géométrique ou ondulatoire
2) Principe de Huygens
3) Types d'ondes mécaniques
4) Equation d'onde (1D)
5) Ondes harmoniques
6) Définitions
7) Phase et vitesse de phase
8) Principe de superposition
9) Représentation complexe
10) Phaseurs
11) Ondes planes
12) Equation d'onde (3D)
Chapitre 2: Propagation de la lumière
1) Diffusion de Rayleigh
2) Principe de Huygens appliqué à la réflexion par une surface plane
3) Principe de Huygens appliqué à la réfraction par une surface plane
4) Principe de Fermat appliqué à la réflexion
5) Principe de Fermat appliqué à la réfraction
6) Généralisation du Principe de Fermat
7) Explication des mirages
8) Approche électromagnétique
9) Équations de Fresnel
10) Amplitude des coefficients
11) Incidence de Brewster
12) Phénomène de réflexion totale
13) Réflectance et transmittance
Chapitre 3: Interférences
1) Interférences – superposition d'ondes (2 D)
2) Superposition d'ondes de même amplitude
3) Cohérence spatiale et temporelle
4) Cohérence spatiale et partiellement temporelle
5) L'expérience de Young
6) Interférences à deux faisceaux
7) Interféromètre de Michelson
Chapitre 4: Diffraction
1) Diffractions de Fresnel et de Fraunhofer
2) Combinaisons d'oscillateurs cohérents
3) Figure de diffraction par une fente simple
4) Intensité de la figure de diffraction par une fente
Chapitre 5 : Photonique
1) Le corps noir
2) Equilibre radiatif
3) Loi de Wien
4) Loi de Rayleigh-Jeans
5) Espace de phase
6) Loi de Planck
7) Effet photoélectrique
8) Diffraction photonique
9) Effet Compton
10) Le photon
NB : La table des matières exacte est sujet à changement. Les points abordés sont repris ci-dessus, mais ne le seront peut-être pas dans cet ordre précis.
Ce cours es complété par des travaux pratiques dans le cadre d'une UE séparée (v. Travaux pratiques de physique générale - SPHYB207).
Cours en auditoire, illustré par des expériences ou par des diaporamas selon les besoins. Ce cours est complété par des travaux pratiques (v. unité d'enseignement séparée Travaux pratiques de physique générale - SPHYB207) ou encore par vidéo en cas d’enseignement à distance. Tout enregistrement vidéo ou audio du cours par l'étudiant est interdit.
L'examen final est oral. L'étudiant reçoit 2 questions. Ces questions peuvent éventuellement inclure un exercice simple (application numérique directe de la théorie p.ex.). L'étudiant prépare les réponses (environ 1/2 heure) et présente ensuite sa réponse oralement. L'évaluation porte sur la rigueur du raisonnement, sur la compréhension du sens physique des résultats et sur la présentation des résultats (graphiques, résultats numériques, ...).
Les diapositives projetées en cours seront mises en ligne sur Webcampus.
Il n'existe pas de syllabus pour ce cours.
Les étudiants curieux pourront également consulter :
| Formation | Programme d’études | Bloc | Crédits | Obligatoire |
|---|---|---|---|---|
| Bachelier en sciences physiques | Standard | 0 | 2 | |
| Bachelier en sciences physiques | Standard | 2 | 2 |