Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur LA LUMIÈRE

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1 Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur LA LUMIÈRE

2 SOMMAIRE Mais qu est-ce que la lumière? I. Présentation générale II. Réfraction et dispersion III. Ondulatoire vs corpusculaire IV. Le photon, une particule quantique V. Vers la relativité

3 I) PRÉSENTATION GÉNÉRALE Visible ou invisible (infrarouge et ultraviolet) Couleurs (=différentes fréquences) Plus ou moins énergétiques Plus ou moins intenses Vitesse : km/s Se propage dans le vide en ligne droite Prend toujours le chemin le plus court énergétiquement Conversion en électricité, en chaleur voire en mouvement Produit par les étoiles, les lampes, certains animaux Peut être diffusée, réfléchie et réfractée

4 II ) RÉFRACTION ET DISPERSION

5 Réfraction II ) RÉFRACTION ET DISPERSION Déviation de la lumière lorsqu elle change de milieu. René Descartes (1637) français n 1 sin( i 1 ) = n 2 sin (i 2 )

6 II ) RÉFRACTION ET DISPERSION

7 II ) RÉFRACTION ET DISPERSION Dispersion Décomposition plus ou moins visible de la lumière blanche lors de la traversée d un milieu. Isaac Newton (1650) anglais La lumière blanche est la superposition de lumières monochromatiques. On peut la décomposer à l aide d un prisme.

8 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Corpusculaire La lumière est un flux de particules. Ondulatoire La lumière est une onde. Isaac Newton (1650) anglais Traité Opticks Christian Huygens (1678) hollandais Traité de la lumière Théorie ondulatoire de la lumière

9 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Travaux sur la diffraction et sur les interférences (au XIXème siècle) Augustin Jean Fresnel (1788) français Thomas Young (1773) anglais

10 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

11 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

12 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

13 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Théorie de Huygens-Fresnel (1835) Grâce à l analyse de Fourier : Joseph Fourier (1822) français

14 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

15 Equations de Maxwell III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE James Clerk Maxwell ( ) anglais La lumière est une onde électromagnétique! ε 0 μ 0 c 2 = 1

16 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

17 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Puis retour de la théorie corpusculaire : Max Planck ( ) allemand Prix Nobel de Physique en 1918 E = h f h : constante de Planck Énergie limitée et quantifiée

18 Effet photoélectrique (1905) III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Résultats de l expérience Albert Einstein ( ) allemand Prix Nobel de Physique en 1921 Il faut une lumière suffisamment énergétique (qui dépend du matériau) Nombre d électrons émis proportionnel à l intensité lumineuse Énergie des électrons proportionnelle à la fréquence Existence d un quanta lumineux, d une particule : Le photon est né!

19 III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE Spectre des atomes : quantification de l énergie (1913) Niels Bohr ( ) danois Prix Nobel de Physique en 1922

20 IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE Ondulatoire Corpusculaire Equation de Maxwell diffraction, réfraction propagation dans le vide lien avec l électromagnétisme Photon de masse nulle (<10-54 kg) et de charge électrique nulle Effet photoélectrique énergie quantifiée de Planck mise en évidence du photon lien avec les spectres Mécanique quantique dualité onde corpuscule

21 IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE

22 IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE Bohr : «Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas.» Principes de la mécanique quantique : l énergie est quantifiée (Planck, Bohr). On peut décrire une particule par un corpuscule ou par l onde qui lui est associée (dualité). A chaque particule est associée une fonction d onde, c est-à-dire une loi de probabilité de présence (aspect ondulatoire de la lumière). La particule n existe de façon déterminée que lorsqu on mesure où elle se trouve ou lorsqu on la détecte. La mesure perturbe ainsi l expérience.

23 IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE

24 Ether (luminifère) : toile de fond de l univers V ) VERS LA RELATIVITÉ Expérience de Michelson-Morley (1887) pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l éther en mesurant la vitesse de la lumière à l aide d un interféromètre. Albert Abraham Michelson ( ) américain Prix Nobel de Physique en 1907

25 Théorie de la relativité restreinte (1905) V ) VERS LA RELATIVITÉ L éther est un artifice physique non nécessaire à la théorie de la relativité. La vitesse de la lumière (et les lois de la physique) est invariante par changement de référentiel. Toute vitesse dans l univers est inférieure à c vitesse de la lumière considérée comme constante. (c = m/s) Albert Einstein ( ) allemand Le temps devient une grandeur relative aux déplacements des référentiels les uns par rapport aux autres.

26 IV ) VERS LA RELATIVITÉ Vers les Étoiles c = m/s Une année lumière = 9, km Âge de l univers = 13 milliards d années

27 BIBLIOGRAPHIE Photographies et vidéos (licence libre) Documentaire La Magie du Cosmos (BBC puis Arte) Animation Vidéos expériences MIT A.Devulder