Sciences & Technologie LA LUMIERE. Une source de lumière est un objet ou un dispositif qui produit de la lumière.

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1 LA LUMIERE I. Emission et réception de la lumière 1. Sources de lumière Une source de lumière est un objet ou un dispositif qui produit de la lumière. Les sources primaires Les sources primaires produisent de la lumière par elles-mêmes. Cette émission est possible car il y a transformation d'une énergie chimique (bougie), électrique (lampe, enseignes), biochimique (vers luisant) ou nucléaire (soleil, étoiles) en énergie lumineuse. Il existe deux sortes de sources primaires : - Les sources incandescentes Les sources incandescentes sont constituées de corps portés à des températures élevées. Le rayonnement est émis parce que l'objet est chaud (étoile, lampe, bougie...). - Les sources luminescentes Les sources luminescentes produisent de la lumière sans recours à une élévation de la température. De la lumière dite froide est émise quand le rayonnement provient de transformations qui ont lieu à l'intérieur des atomes. Les sources secondaires Les sources secondaires ou objets diffusants sont des objets dont la surface éclairée, renvoie, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu'elle reçoit d une source. La lune, ou une planète, observée dans le ciel, émet vers nous de la lumière qui lui fournit le soleil. D une manière générale, tous les objets visibles qui ne sont pas des sources primaires, sont des sources secondaires de lumière. C est par diffusion de la lumière que les objets autres que les sources de lumière et les surfaces réfléchissantes nous sont visibles. - Certains objets sont opaques : ils ne laissent pas passer la lumière. Une partie de celle-ci est absorbée sur la surface, l autre partie est diffusée. Exemples : la lune, les pages d un livre, La lumière 1 / 10

2 - D autres objets laissent passer une partie de la lumière, tout en la diffusant. Ils sont qualifiés de translucides. Exemples : les nuages, les vitres dépolies, 2. Diffusion de la lumière Définition Dans une atmosphère calme, transparente et de température constante, la lumière se propage aussi en ligne droite. Cependant, la lumière rencontre sur son chemin à travers l atmosphère de nombreuses particules microscopiques qui vont se comporter comme autant de sources lumineuses et qui vont renvoyer la lumière dans toutes les directions et en particulier vers notre œil. On dit qu il y a diffusion de la lumière. Diffusion atmosphérique Sur cette photographie, la Terre apparaît vue de la Lune, bleutée sur un fond de ciel noir. La Terre reçoit la lumière de la source «Soleil» et la diffuse vers l appareil photographique. - Le ciel bleu La diffusion de la lumière solaire est assurée par les molécules de l atmosphère. Cette diffusion privilégie la couleur bleue par rapport aux autres couleurs. La Terre apparaît donc bleutée. Cela explique également pourquoi, vu depuis le soleil par une journée ensoleillée, le ciel est bleu. - Le ciel noir La lumière du Soleil se répand également dans le reste du ciel. Celuici apparaît noir : aucune lumière provenant de cette région ne parvient à l appareil photographique. En traversant le vide spatial, la lumière émise par le Soleil ne rencontre pas (ou exceptionnellement) des particules matérielles : elle n est donc pas diffusée. 3. Récepteurs de lumière Les récepteurs de lumière sont des dispositifs sensibles à la lumière qu ils reçoivent. La lumière 2 / 10

3 Les récepteurs de signaux La photodiode, par exemple, est un récepteur de lumière permettant de transformer le signal transmis par un faisceau lumineux en signal électrique. Les récepteurs d images - L œil L'œil est un instrument d'optique très simple. Le cristallin se comporte comme une lentille convergente et la rétine comme un écran sur lequel va se former l'image des objets regardés. L'objet, ici une fleur, diffuse de la lumière. Une partie de cette lumière pénètre dans l'œil. Le cristallin la fait converger. Une image renversée de l'objet se forme sur la rétine. Des muscles spécialisés accommodent la convergence du cristallin pour que l'image soit nette. Les cellules de la rétine transmettent les informations au cerveau par le nerf optique et le cerveau les interprète et construit la vision. Un œil myope est un œil qui accommode mal. L'image nette se forme en avant de la rétine et c'est une image floue qui se forme sur la rétine. Pour corriger ce défaut on porte des lunettes composées de lentilles divergentes. Un œil hypermétrope a le problème inverse. L'image nette se forme au delà de la rétine et sur celle ci l'image est également floue. Pour le corriger on porte des lunettes avec des lentilles convergentes. La lumière 3 / 10

4 - Les films photographiques Un film «noir et blanc» est constitué : d'une émulsion photographique, mélange de chlorure et bromure d'argent, sensibles à la lumière, et de gélatine ; d'un support transparent en cellulose sur lequel est déposée l'émulsion. Les zones où l'émulsion a reçu plus ou moins de lumière, deviennent plus ou moins opaques lors du développement. Une émulsion «couleur» est constituée de trois couches sensibles, respectivement, aux lumières bleue, verte et rouge. - Les capteurs CCD Un capteur CCD 1 est un capteur électronique d images utilisé dans les caméscopes et les appareils de photographie numérique. Il est constitué d un très grand nombre de minuscules éléments photosensibles juxtaposés. Son comportement rappelle celui de la rétine : sous l effet de la lumière, les éléments photosensibles produisent des signaux électriques. L image formée par l objectif de l appareil sur le capteur est analysée point par point. Les récepteurs d énergie Il s'agit essentiellement des photopiles. Dans une photopile, une mince couche de silicium produit un courant électrique lorsqu'elle est atteinte par la lumière. Les photopiles transforment ainsi une partie de l'énergie lumineuse qu'elles reçoivent (entre 10 et 20%) en énergie électrique. Pour obtenir des puissances importantes, on les assemble en éléments de grande surface sous le nom de cellules solaires. Les chaînes de la lumière L'analyse de tout phénomène lumineux met en évidence une «chaîne» de phénomènes : émission, propagation et réception de la lumière. 4. Couleurs des objets Si les feuilles sont vertes c'est qu'elles absorbent toutes les couleurs de la lumière blanche qu'elles reçoivent sauf une : la verte. Elles diffusent le vert. Un objet noir absorbe toutes les couleurs de la lumière banche. Un objet blanc diffuse toutes les couleurs. 1 «Charge couple device» ou «dispositif à transfert de charge». La lumière 4 / 10

5 II. Propagation de la lumière 1. Propagation rectiligne de la lumière Le faisceau émis par un laser dans l'air est rectiligne. C'est aussi le cas s'il traverse l'eau contenue dans une cuve ou un bloc de verre à faces parallèles. Les milieux traversés ont même composition et mêmes propriétés en tout point : ils sont dits homogènes. A travers de l eau salée, le faisceau laser n est plus rectiligne. La composition de l'eau salée n'est pas identique en tout point : le milieu de propagation n'est pas homogène, et la propagation de la lumière n'est pas rectiligne. La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène. On représente le chemin de la lumière par une droite appelée rayon lumineux. Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux. 2. Le phénomène de diffraction Si on place un écran sur le trajet du faisceau laser, la trace du faisceau sur l'écran est un disque de diamètre égal à celui du faisceau. Si on dirige le faisceau sur une petite ouverture circulaire, de diamètre égal à 0,1 mm, on observe, sur l'écran, des anneaux concentriques autour d'une tache circulaire. Leurs diamètres sont de l'ordre du centimètre. Lorsque la lumière traverse de petites ouvertures, elle ne se propage pas en ligne droite. C'est le phénomène de diffraction. 3. Propagation de la lumière La lumière est un phénomène ondulatoire. Contrairement au son, la lumière n'a pas besoin de milieu matériel pour se propager. La vibration lumineuse se propage dans l'air et dans le vide. La lumière 5 / 10

6 Nous recevons sur Terre la lumière émise par le Soleil, ou diffusée par les astres du système solaire. Nous recevons également la lumière émise par les étoiles de notre galaxie, et des milliards de galaxies semblables à la nôtre qui peuplent l'univers. Depuis leurs sources, ces vibrations lumineuses parcourent, dans le vide cosmique, des distances gigantesques pour nous parvenir. La lumière se propage dans le vide, et dans certains milieux matériels appelés milieux transparents. 4. Propagation de l énergie lumineuse La vibration lumineuse transporte de l'énergie appelée énergie lumineuse. L'intensité du rayonnement solaire reçu au niveau du sol, en l'absence de nuages, est de l'ordre de 1 kw/m². 5. Vitesse de propagation Vitesse de la lumière dans le vide La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle notée célérité : c = m/s. Couramment, on prend la valeur approchée : c = 3 x 10 m/s. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est la plus grande vitesse que l'on connaisse pour transmettre une information. C'est une vitesse que ne peut atteindre aucune particule matérielle. Vitesse de la lumière dans quelques milieux transparents La vitesse de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. C'est le physicien Léon Foucault qui le démontra en 150. Les vitesses de la lumière dans l'air et dans le vide sont très voisines : c air = 2,99710 x 10 m/s. En général, c air c La vitesse de la lumière dans le verre ordinaire est c verre 2 x 10 m/s. La vitesse de la lumière dans l eau est c eau 2,26 x 10 m/s. 6. Indice de réfraction Définition L'indice de réfraction n i d'un milieu transparent est le quotient de la vitesse c de la lumière dans le vide par la vitesse c i de la lumière dans le milieu considéré. La lumière 6 / 10

7 n = i c c i c c i n i vitesse de la lumière dans le vide (m/s) vitesse de la lumière dans le milieu (m/s) indice de réfraction (pas d'unité) Exemples c - Pour le verre : n verre = = cverre = 1,5 c - Pour l eau : n eau = = ceau , ,33 - Pour l air : l'indice de réfraction de l'air est très voisin de l'unité, n air = 1,0002 car c air c. 7. L année-lumière Les distances entre les différents objets de l'univers sont très grandes. On utilise, en astronomie, des unités adaptées. L'une d'entre elles est l'annéelumière (a.l), appelée encore année de lumière. L'année-lumière est la distance parcourue par un signal lumineux dans le vide pendant une durée d'une année. La distance parcourue par la lumière pendant une durée de un an est égale au produit de la vitesse de la lumière par la durée du parcours. On a donc : 1 a.l = 3,0 x 1 a.l km. 10 x 365 x 24 x 3600 = 9,5 x m = 9,5 x km III. Réflexion et réfraction de la lumière 1. Faisceaux et rayons lumineux La lumière se propageant dans une certaine portion d'espace à partir d'une source forme un faisceau lumineux. Le faisceau est dit parallèle si sa section est constante. Un faisceau lumineux peut être considéré comme un ensemble de rayons lumineux voisins les uns des autres. rayon lumineux section La lumière 7 / 10

8 2. Réflexion et réfraction Le faisceau lumineux d'un laser dirigé vers la surface libre de l'eau d'un aquarium est appelé faisceau incident. Il se sépare en deux. rayon incident rayon réfléchi rayon réfracté Une partie de la lumière pénètre dans l'eau. Elle constitue le faisceau transmis. La direction de ce faisceau est différente de celle du faisceau incident. C'est le phénomène de réfraction : le faisceau transmis est aussi appelé faisceau réfracté. La lumière non transmise retourne vers l'air et constitue le faisceau réfléchi sur la surface de l'eau. On appelle dioptre la surface de séparation entre deux milieux transparents. Lorsqu un faisceau lumineux atteint la surface de séparation de deux milieux différents, une partie se réfléchit sur la surface comme un miroir : c est le phénomène de réflexion. L autre partie se propage dans le deuxième milieu : c est la réfraction. En parvenant à un dioptre, un faisceau lumineux incident donne naissance à un faisceau réfracté (ou transmis) et à un faisceau réfléchi. La réflexion est un changement de direction de la lumière qui se produit à la surface de tous les objets éclairés. La réflexion se produit quand la lumière se projette sur la surface de l objet qui est frappé par la lumière. Un objet ne réfléchit pas toute la lumière qui le frappe. Une partie de l énergie lumineuse est absorbée. Plus la surface est de couleur foncée, plus elle absorbe la lumière. La réfraction se définit comme le changement de direction de la lumière qui passe d un milieu à un autre. La lumière dévie parce qu elle change de vitesse en traversant la surface de contact entre les deux milieux de masses volumiques différentes. La lumière / 10

9 Plan d incidence Sur la figure ci-contre, la vitre dépolie matérialise le plan d incidence, défini par le rayon incident S 1 I et la normale ( N1 N 2 ). Lois de la réflexion - Le rayon réfléchi appartient au plan d incidence. - L angle d incidence i et l angle de réflexion r sont égaux : i = r. Lois de la réfraction - Le rayon réfracté appartient au plan d incidence. - L angle d incidence i 1 et l angle de réflexion i 2 vérifient la relation : n 1 sin i 1 = n 2 sin i 2 où n 1 et n 2 sont les indices de réfraction des deux milieux. IV. Spectre de la lumière Lorsque la lumière blanche traverse un prisme elle se décompose en une série de bandes colorées : le spectre de la lumière solaire. Ce phénomène se produit parce que la lumière blanche est en réalité formée d'un mélange de couleurs : les couleurs de l'arc en ciel. Lorsque la lumière change de milieu en passant de l'air dans le verre, elle est réfractée. Mais chacune des couleurs est déviée de manière différente. Cette séparation de la lumière blanche en ses diverses composantes est appelée dispersion. La formation d'un arc-en-ciel est du à la réfraction de la lumière solaire par des gouttes de pluie. Les gouttes de pluie agissent comme des prismes. V. Couleurs primaires, couleurs secondaires A partir de 3 couleurs, le rouge, le bleu et le vert, on peut fabriquer n'importe quelle autre couleur. Ce sont les couleurs primaires. Lorsque les 3 couleurs sont combinées 2 à 2 on obtient les couleurs secondaires : le magenta, le cyan et le jaune. Les 3 couleurs primaires additionnées donnent le blanc. C'est la synthèse additive. La lumière 9 / 10

10 VI. Ombres et lumière Comme la lumière se propage en ligne droite, elle créé une ombre quand elle rencontre un obstacle. Si la source lumineuse est très petite, l'ombre portée a des contours très nets. Si elle est grande, l'ombre portée a des contours flous. La zone entre l'ombre portée et la lumière s'appelle la pénombre. Cette zone ne reçoit qu'une partie de la lumière de la source. pénombre Lors d'une éclipse de Soleil, l'ombre de la lune est projetée sur la Terre. Les personnes dans l'ombre portée sont dans l'obscurité totale. Ceux qui se trouvent dans la pénombre connaissent une éclipse partielle. La lumière 10 / 10