Electromagnétisme

Ce cours d'optique physique s'adresse aux étudiants en premier cycle universitaire ainsi qu'à ceux qui préparent les concours de l'enseignement (Capes, Agrégation de physique, etc.). Après une introduction générale et des rappels sur les ondes électromagnétiques, les phénomènes d'interférences et de diffraction sont étudiés, en s'appuyant sur de nombreuses illustrations et applications modernes. Les phénomènes liés à la polarisation des ondes lumineuses sont ensuite abordés, pour finir par deux chapitres qui utilisent l'ensemble des notions introduites dans le reste de l'ouvrage et qui sont consacrés aux fibres optiques et aux lasers, deux domaines d'importance capitale au niveau fondamental comme au niveau technique et industriel. L'auteur sépare clairement les difficultés d'ordre physique de celles d'ordre mathématique. Il a remarqué que les étudiants attribuent souvent les difficultés qu'ils éprouvent à la physique elle-même, alors qu'il s'agit en général de difficultés mathématiques. Ici, les principes de base sont illustrés très tôt par des applications simples ou des résolutions numériques, en montrant au lecteur les phénomènes physiques qu'induisent ces principes. Les calculs plus formels sont ensuite présentés, en se référant toujours à ces illustrations. Des applications récentes sont présentées, pour bien montrer au lecteur que l'optique est une science vivante, en pleine évolution, et pas seulement une matière "poussiéreuse" qu'il convient d'apprendre simplement parce que "c'est au programme" !

Cet ouvrage propose une synthèse de l'apprentissage de l'optique géométrique en licence scientifique grâce à des fiches de cours suivies d'exercices corrigés en détail. Toutes les étapes des calculs et des raisonnements sont explicitées, les corrections sont abondamment illustrées et plusieurs exercices font appel à une approche numérique (SageMath) pour compléter l'approche analytique et géométrique. Plusieurs outils méthodologiques sont également exposés et mis en oeuvre pour aider à la résolution des exercices. Chaque fiche contient : des rappels de cours (définitions, propriétés, formules importantes) ; de la méthodologie, des points d'attention et des astuces. ; des exemples détaillés pour illustrer les notions ou apprendre à résoudre les questions ; des exercices et leurs corrigés détaillés.

La lumière et l'optique ondulatoire1. La nature ondulatoire de la lumièreDans les situations courantes, la lumière se propage en ligne droite, comme en témoignent les rais de lumière que l'on peut voir se former derrière un volet percé d'un trou et éclairé par le soleil. Un faisceau lumineux étendu semble pouvoir être découpé en une infinité de rayons lumineux rectilignes, si le milieu est homogène. C'est la base de l'optique géométrique. Toutefois, cette propriété est mise en défaut dans certaines situations expérimentales, comme l'avait observé Francesco Grimaldi (1618-1663) qui découvrit le phénomène de diffraction au XVIIe siècle (? chapitre 5). Thomas Young (1773-1829) puis Augustin Fresnel (1788-1827) montrèrent au début du XIXe siècle que la lumière doit être décrite comme une onde. La lumière peut alors, dans une certaine mesure, contourner les objets opaques, de la même manière que le son peut se propager derrière des obstacles. La description ondulatoire de la lumière diffère fondamentalement de celle proposée dans le cadre de l'optique géométrique, et permet de comprendre de nouveaux phénomènes, en particulier les interférences (? chapitres 2, 3 et 4) et la diffraction (? chapitre 5). Elle affecte aussi la propagation dans les fibres optiques (? chapitre 9).On sait aujourd'hui que cette onde est de nature électromagnétique, et l'optique ondulatoire peut être considérée comme une partie de l'électromagnétisme. À ce titre, pour étudier la propagation de la lumière, il faut en toute rigueur considérer le champ électrique et le champ magnétique qui la composent; ces champs sont représentés par des vecteurs. Toutefois, ce caractère vectoriel ne joue pas un rôle important dans toutes les situations et l'on peut étudier bon nombre de problèmes optiques en ne le prenant pas en compte, c'est-à-dire en assimilant la lumière à une onde scalaire.

Ce cours d'optique physique s'adresse aux étudiants en premier cycle Universitaire ainsi qu'à ceux qui préparent les concours de l'enseignement (Capes, Agrégation de physique, etc.). Après une introduction générale et des rappels sur les ondes électromagnétiques, les phénomènes d'interférences et de diffraction sont étudiés, en s'appuyant sur de nombreuses illustrations et applications modernes. Les phénomènes liés à la polarisation des ondes lumineuses sont ensuite abordés, pour finir par deux chapitres qui utilisent l'ensemble des notions introduites dans le reste de l'ouvrage et qui sont consacrés aux fibres optiques et aux lasers, deux domaines d'importance capitale au niveau fondamental comme au niveau technique et industriel. L'auteur sépare clairement les difficultés d'ordre physique de celles d'ordre mathématique. Il a remarqué que les étudiants attribuent souvent les difficultés qu'ils éprouvent à la physique en général à des difficultés mathématiques. Ici, les principes de base sont illustrés très tôt par des applications simples ou des résolutions numériques, en montrant au lecteur les phénomènes physiques qu'induisent ces principes. Les calculs plus formels sont ensuite présentés, en se référant toujours à ces illustrations. Des applications récentes sont présentées, pour bien montrer au lecteur que l'optique est une science vivante, en pleine évolution, et pas seulement une matière "poussiéreuse" qu'il convient d'apprendre simplement parce que "c'est au programme". Les "plus": Conformité aux exigences des programmes de premier cycle (Licence); Mise en évidence des applications concrètes; Apport pédagogique mettant en premier plan les discussions physiques et au second plan le calcul numérique. Biographie de l'auteur Richard Taillet: Ancien élève de l'ENS de Lyon en Physique, Docteur en physique théorique, dans le domaine de l'astrophysique, agrégé de Sciences physiques, Maître de Conférences à l Université de Savoie, chercheur en astrophysique au LAPTH (Laboratoire d'Annecy-le-vieux de Physique Théorique).