\documentclass[class=book,preview=false,crop=false]{standalone}

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\usepackage{../../fiche}
% \usepackage{fiche}

\begin{document}
\chapter{Phénomènes de polarisation optique (secondaire)}

\section*{Ressources utilisées}
\begin{itemize}
\item Lumière et luminescence, \textsc{Valeur} (illustrations et histoire)
\item Physique, \textsc{Hecht} (illustrations (réflexion) et histoire)
\item Optique, une approche expérimentale et pratique, \textsc{Houard} (illustrations et phénomènes naturels (abeilles...))
\item Animations \texttt{EduMedia} (polarisation, polariseur) ; aller vite : il faut actualiser si pas d'abonnement
\item Ressources et schémas, dont angle de \textsc{Brewster} : \href{https://slideplayer.fr/slide/1672472/}{Slideplayer}
\item Photoélasticimétrie \href{https://www.youtube.com/watch?v=j7syuu3cczo}{Youtube} et \href{https://fr.wikipedia.org/wiki/Photo\%C3\%A9lasticim\%C3\%A9trie}{Wikipédia} + \textsc{Fruchart}, chap. 3
\end{itemize}

\section*{Pré-requis}
\begin{itemize}
\item Ondes mécaniques, progressives, périodiques
\item Ondes électromagnétiques, lumière
\item Chiralité
\item Concentration d'une espèce chimique ; dosage par étalonnage
\end{itemize}

\section*{Éléments imposés possibles}
Loi de \textsc{Biot}, excès énantiomèrique ; écrans LCD ; lunettes à verres polarisés ; biréfringence ; cristaux de spath ; photoélasticimétrie.

\section*{Introduction pédagogique}
\begin{description}
\item[Niveau] Secondaire : Terminale STL.
  Se renseigner sur les nouvelles terminales, technologique et générale, pour savoir comment s'adapterait la leçon.
\item[Difficultés] Comprendre le phénomène de polarisation, qui n'est pas visible à l'\oe{}il nu. Pour cela, on fera des analogies avec les ondes mécaniques (excitation d'une corde) et on utilisera des animations en ligne.
\item[Travaux pratiques]
  "Démonstration" de la loi de \textsc{Biot} (retrouver la formule en faisant varier certains paramètres), détermination d'une concentration, lecture de protocole expérimental...
\end{description}

La leçon se place assez naturellement dans le programme actuel de terminale STL, en SPCL, dans le cadre de l'étude des ondes.
Plus particulièrement, les phénomènes de polarisation sont abordées sous deux angles dans le programme de terminale : la mesure (menant à la détermination d'une concentration) et l'application/utilisation de ces phénomènes (écrans LCD...).

Le cours suivrait un premier cours sur la nature de la lumière, au travers d'aspects ondulatoire (qui lui même serait précédé d'un cours plus large sur les ondes, mécaniques et progressives puis périodiques, les plus simples à assimiler pour les élèves).
Pour bien différencier les phénomènes de polarisation des autres phénomènes ondulatoires de la lumière, on invitera les élèves à réfléchir aux expériences, à ce qu'on met en évidence et comment ; pour cela, on se limitera à des dispositifs optiques simples : LASER, polariseur et analyseur, pour que l'élève identifie le plus facilement possible tous les éléments associés au phénomène observé (plutôt que de réfléchir à pourquoi on a une lampe, une lentille, un diaphragme...).

\remarque{Sur les LASER !
  Il faudra évidemment mentionner les consignes de sécurité et penser à regarder les différences entre LASER de classe 1 ou de classe 2.
  Un classe 1 ne nécessite par le port de lunettes de protection mais il faut tout de même faire attention aux réflexions et préciser qu'il ne faut pas le pointer dans les yeux.
Pour un classe 2, protection normalement assurée par réflexe de l'\oe il mais dégâts si exposition prolongée (plus de 0.25~s), donc préférer lunettes de protection ou utilisation du classe 1.}

\section*{Introduction}\textit{Timing : 3 min 55 sec}
\newline
\par Dans la vie de tous les jours, vous rencontrez des objets « polarisants ».
Des objets tels que les lunettes anti-reflets, par exemple : elles permettent de ne plus observer de reflets à la surface d'une flaque, d'un lac...
\projection{
  À gauche, ce que l'on observe sans polariseur, à droite, avec, où l'axe de transmission est perpendiculaire au sol (dans le plan d'incidence vertical). Source : \textsc{Hecht}, Physique, p. 1020. 
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{flaque.jpg}
  \end{figure}
  Se voit aussi (voir beaucoup mieux) avec l'illustration du \textsc{Houard} p. 268 ! Mais contient déjà une part d'explication, de représentation : garder pour plus tard ou pour le supérieur.
  \remarque{Il s'agit ici de polaroïd, donc de polariseur plastique (polymères...), fonctionnant de la même façon que des polariseurs en grille métallique.}
}

Pour comprendre ce qu'il se passe, il faut se rappeler de la nature de la lumière.
La \textbf{lumière} est une onde dite électromagnétique, c'est à dire qu'elle correspond à la propagation dans l'espace d'un champ électrique (et d'un champ magnétique, perpendiculaire au premier) perpendiculaire à la direction de propagation (l'onde est \textbf{transverse}).

Nous allons expliquer cette observation par l'étude de la polarisation de la lumière, c'est à dire l'évolution de la direction du champ électrique au cours du temps.

\objectifs{Comprendre le phénomène de polarisation de la lumière et savoir comment l'exploiter.}

\section{De la lumière naturelle à la lumière polarisée}
\subsection{Description}\textit{Timing : 7 min 25 sec}
\newline
\par La \textbf{polarisation} correspond à l'orientation du vecteur champ électrique lorsqu'un observateur regarde l'onde se propageant vers lui.

Une onde électromagnétique est \textbf{polarisée rectilignement} si le champ électrique est émis suivant une seule direction, appelée \textbf{axe de polarisation}. On peut faire l'analogie avec les ondes mécaniques : on peut exciter une corde verticalement, horizontalement, ... ces différentes directions d'excitation correspondent aux différentes polarisations de l'onde sur la corde.

\projection{\textsc{Hecht}, p. 1012 et Nathan TSTL p. 55}

\remarque{Noter que la lumière est toujours polarisée à un instant donnée. On considère qu'elle n'est pas polarisée quand les variations de la direction du champ électrique sont trop rapide (exemple : le Soleil). On parle alors de \textbf{lumière naturelle}.}
\pedagogie{Dans le supérieur, on introduirait la loi de \textsc{Malus} ainsi que l'expérience d'icelui.}

\textit{Comment alors obtenir une lumière polarisée ?}

\subsection{Obtention d'une lumière polarisée rectilignement}

La polarisation d'une onde électromagnétique ne se voit pas directement à l'\oe{}il nu. On a recours à des matériaux (les mêmes que celui des lunettes polarisantes) appelés \textbf{polariseurs}, qui ne sélectionne qu'une seule direction de polarisation, appelée \textbf{axe de transmission}.

\experience{\textit{Passage d'un rayon laser à travers un polariseur}, \textsc{Hecht} p. 1015.

On observe une intensité lumineuse moindre quand le rayon passe par le polariseur. En revanche, si on tourne l'axe de transmission, l'intensité lumineuse reste constante.}

Cependant, cette expérience ne montre pas que la lumière en sortie du polariseur est polarisée. On a alors recours à un second polariseur, appelé \textbf{analyseur}.

\experience{\textit{Passage d'un rayon laser à travers un polariseur puis un analyseur.}

En tournant l'analyseur, on observe une \textbf{extinction} si son axe de transmission est orthogonal à celui du polariseur.}

\projection{Animation \texttt{EduMedia} (polarisation, polariseur) ; aller vite : il faut actualiser si pas d'abonnement.}

On peut ainsi mesurer des angles de déviation de la lumière polarisée, c'est ce qu'on appelle la \textbf{polarimétrie}.

\remarque{
Expérience de \textsc{Malus} et découverte de \textsc{Fresnel} sur la lumière polarisée et les cristaux biréfringents (cristaux de spath), \textsc{Valeur}, \underline{Lumière et luminescence}, p. 29.
\projection{
  \begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[scale=0.3]{valeur_p29.jpg}
  \end{figure}
}
}

\section{Application de la polarisation...}
\subsection{En chimie : détermination d'une concentration}\textit{Timing : 18 min 24 sec}

\remarque{Si on a le temps, on pourrait faire une première sous-partie "Vers la loi de \textsc{Biot}" pour montrer expérimentalement la dépendance en chacun des paramètres.}

\paragraph{Contexte} Certaines molécules sont dites \textbf{chirales} : elles ne sont pas superposables à leur image dans un miroir plan. Ces différences dans l'organisation spatiale de la molécule ont plusieurs conséquences, parfois désastreuses. Par exemple, le (+)-limonène a une odeur d'agrume (orange ou citron), tandis que le (-)-limonène a une odeur de pin. Le thalidomide est un médicament dont l'énantiomère est tératogène (il conduit à des malformations du f\oe{}tus s'il est prescrit à des femmes enceintes). Ces molécules chirales ont également la capacité de dévier la lumière polarisée. On dit qu'elles sont \textbf{optiquement actives}.

\projection{Structures du limonène et du thalidomide}

\experience{On reprend le montage précédent en se plaçant à l'extinction et on ajoute une cuve. Si elle contient de l'éthanol, on observe toujours une extinction.

En revanche, si on ajoute du limonène énantiomériquement enrichi, on observe de nouveau de la lumière. On cherche la nouvelle extinction. L'angle de déviation mesuré suit la loi de \textsc{Biot}.}

\textbf{Loi de \textsc{Biot} :} (début du XIX\me siècle)
\begin{equation}
    \alpha=[\alpha]_D^{20}~l~c
\end{equation}
avec $\alpha$ en degrés (\degre), $l$ en dm, $c$ en g/mL, donc $[\alpha]_D^{20}$ en \degre mL/g/dm.
\newline
\par\textit{Comment déterminer une concentration ?}

On effectue un dosage par étalonnage : tout d'abord, on mesure les angles de déviation de plusieurs solutions de limonène de concentrations connues dans la même cuve. On connaît alors la valeur de $[\alpha]_D^{20}~l$ en traçant la droite d'étalonnage. Puis, on mesure l'angle de déviation pour une solution de concentration inconnue. On en déduit grâce à la loi de \textsc{Biot} cette concentration.

La plus grosse incertitude sur cette expérience est la mesure de l'angle de déviation, car il est difficile de repérer une extinction (c'est tout de même plus simple que de repérer un maximum d'intensité).

\subsection{En physique : photoélasticimétrie}\textit{Timing : 28 min 55 sec}
\newline
\par Une autre application de la polarimétrie est la \textbf{photoélasticimétrie}. Il s'agit de l'étude des déformations et des contraintes mécaniques pour des matériaux \textbf{photoélastiques}. Ces matériaux sont optiquement \textbf{isotropes} au repos, c'est-à-dire qu'ils ont les mêmes propriétés dans toutes les directions de l'espace. Mais, sous l'action d'une contrainte mécanique, ils deviennent \textbf{biréfringents} : leurs propriétés optiques dépendent de la direction de la lumière qui les traverse. Les matériaux photoélastiques induisent donc, sous l'effet d'une contrainte mécanique, une polarisation supplémentaire à celle de la lumière incidente. On peut ensuite l'analyser comme ce qui a été vu précédemment.

\projection{\textsc{Hecht}, p. 1022 et \textsc{Houard}, p. 288}

Les zones de même couleur correspondent à la même intensité de la contrainte.

On peut faire l'expérience soi-même : on observe une lumière polarisée (comme à travers un téléphone par exemeple) à travers un tupperware (ou une coque de téléphone plastique transparente) et des lunettes aux verres polarisants.

La photoélasticimétrie a des applications dans l'industrie. Elle sert à trouver les points de fragilité d'un objet. Pour ce faire, on le recouvre d'un revêtement photoélastique, s'il ne l'est pas déjà, et on observe à travers un analyseur l'objet soumis à une lumière polarisée.

\section*{Conclusion} \textit{Timing : 38 min}
\newline
\par La lumière naturelle est non polarisée. Pour créer une lumière polarisée rectilignement, c'est à dire dont le champ électrique est dans un axe de polarisation fixe, il faut la faire passer à travers un matériau polarisant.

\projection{\textsc{Valeur}, p. 23 et \textsc{Houard}, p. 260.}

Cependant, la lumière peut aussi se polariser après réflexion sur un matériau non polarisant (flaque d'eau, carrelage, vitre, ...). Ces reflets peuvent être gênants, c'est pourquoi on utilise des lunettes polarisantes, anti-reflets.

\begin{center}
    \textit{Fin : 39 min 55 sec}
\end{center}

\section*{Questions}

\begin{longtable}{p{8cm}p{8.5cm}}
\textbf{Questions}&\textbf{Réponses}\\
\cline{1-2}
Peut-on avoir une polarisation magnétique ?&Oui, car elle est couplée au champ électrique, mais la polarisation est définie par la direction du champ électrique.\\
Est-ce que la polarisation en sortie de l'analyseur est selon son axe ou selon celui du polariseur ?&Selon celui de l'analyseur. ATTENTION ! L'animation est fausse sur ce point.\\
Parler de la loi de \textsc{Malus}.\\
Comment est fait un polariseur ?&Il peut être constitué de grilles métalliques ou de polaroïds (matériau polymère). Les oscillations du champ électrique induise un mouvement des électrons. La lumière est donc dissipée sauf dans une seule direction. (\textit{prévoir une slide là-dessus car on nous posera forcément la question)}\\
Citer un autre matériau polarisant à la maison.&Le scotch étiré.\\
Qu'est-ce que la biréfringence ?&L'indice optique du matériau n'est pas le même dans toutes les directions. Le matériau est donc anisotrope. La lumière ne se propage donc pas de la même manière suivant chacun des axes.\\
Parler de l'angle de \textsc{Brewster}.&Regarder la vidéo \href{https://slideplayer.fr/slide/1672472/}{Slideplayer} vers 3 min.\\
\cline{1-2}
\end{longtable}

\section*{Debrief}

Le plan est très bien.

Pour les manipulations, on devrait avoir accès à un polarimètre de \textsc{Laurent} et donc ne pas avoir à faire les mesures pour la loi de \textsc{Biot} avec le montage d'optique.

\end{document}