Les signaux lumineux

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1 Les signaux lumineux I) Les sources lumineuses : a) Définition : Une source lumineuse est un corps qui émet de la lumière. Exemples : Une étoile ( le soleil par exemple ), une lampe,. b) Sources lumineuses primaires : Définition : Exemples : Une source lumineuse primaire est un corps qui produit et émet sa propre lumière. Le soleil, une lampe torche, un écran de téléphone, un ver luisant, un feu, la lave, une bougie, une diode, un laser,... sont des sources lumineuses primaires. Ils sont visibles dans le noir. Le soleil est une source lumineuse primaire naturelle car c est une étoile.

2 Notre œil peut voir la lumière de la flamme de la bougie dans le noir : on peut donc dire que la bougie émet sa propre lumière c est-à-dire qu elle est une source lumineuse primaire artificielle (créée par l homme). Le ver luisant ( ou lampyre, luciole ) est observable très facilement la nuit car il émet sa propre lumière : il est donc une source lumineuse primaire naturelle. Il fait nuit et on peut observer les couleurs orange et jaunes de la lave en fusion : la lave est une source lumineuse primaire naturelle.

3 c) Les objets diffusants : Définition : Un objet diffusant est un corps qui ne produit pas de lumière mais qui diffuse dans toutes les directions la lumière qu il reçoit d une autre source de lumière. Exemples : La lune, un tableau, un écran de cinéma, une photo, une table. sont des objets diffusants. La lune est éclairée par le soleil ( source lumineuse primaire ) et elle diffuse la lumière reçue ( objet diffusant naturel ). Cet écran de projection est éclairé par le vidéo projecteur ( source lumineuse primaire ) et il diffuse la lumière qu il reçoit ( objet diffusant artificiel )

4 Cette table est éclairée par le soleil ( source lumineuse primaire ) et elle diffuse la lumière qu elle reçoit ( objet diffusant artificiel ) II) Conditions de vision d une source lumineuse primaire : Expérience n 1 : Source lumineuse primaire Observateur Une plaque opaque est placée entre l ampoule et l œil. Conclusion de l expérience : l observateur ne peut pas voir la lumière car celle-ci est arrêtée par la plaque.

5 Expérience n 2 : Source lumineuse primaire Observateur La plaque opaque est percée au niveau de l œil. Conclusion de l expérience : l observateur peut voir la lumière diffusée par l ampoule car la lumière peut passer à travers le trou. Expérience n 3 : Source lumineuse primaire Observateur Une plaque transparente est placée entre l ampoule et l œil. Conclusion de l expérience : si un objet transparent (qui laisse passer la lumière) est placé sur le trajet de la lumière, alors l observateur peut voir la source lumineuse.

6 Remarques : Certaines sources lumineuses très intenses peuvent être dangereuses pour l œil. Il ne faut jamais regarder directement le soleil car cela peut occasionner de graves lésions de la rétine ( membrane placée au fond de l œil sur laquelle se forment les images ). Certains lasers peuvent également endommager la rétine si le faisceau de lumière atteint l œil. III) Conditions de vision d un objet diffusant : Un objet diffusant est une source lumineuse qui ne produit pas de lumière mais il diffuse une partie de la lumière qu il reçoit dans toutes les directions de l espace. Un objet diffusant n est donc pas visible dans le noir. Il est visible par l œil s il reçoit de la lumière d une source primaire. Expérience n 1 : Un observateur se trouve dans une pièce dans laquelle on a posé une jarre. La lumière est éteinte. Il est donc dans le noir et ne peut pas voir la jarre. Expérience n 2 : L observateur allume la lumière : il peut voir la jarre car celle-ci est éclairée par la lampe. Celle-ci diffuse une partie de la lumière qu elle reçoit vers l œil de l observateur.

7 Conclusion : Pour voir un objet diffusant, il faut que : 1) L objet soit éclairé. 2) La lumière issue de cet objet pénètre dans l œil de l observateur. Objet diffusant Source lumineuse primaire Observateur Objet opaque IV) La lumière blanche : a) Généralités : Passage vidéo n 1 ( décomposition de la lumière blanche ). Passage vidéo n 2 ( le disque de Newton ). La lumière blanche est aussi bien émise par le soleil que par une ampoule électrique. Elle est formée d'un mélange de couleurs : ce sont les couleurs de l'arc-en-ciel qui composent le "spectre" de la lumière visible. On distingue sept couleurs : le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet. Pour visualiser toutes les couleurs contenues dans la lumière blanche, il suffit d'observer la surface d'une bulle de savon ou d'un disque laser. La lumière est alors décomposée : c'est le phénomène de diffraction. Dans un arcen-ciel, ce sont les gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère qui décomposent la lumière du soleil.

8 Spectre des couleurs visibles par l homme : la lumière est en effet constituée d un ensemble de longueurs d onde formant un spectre. Chacune de ces longueurs d onde correspond à une couleur. Le spectre de la lumière visible, que les humains peuvent percevoir, s étend du violet ( longueur d onde 380 nm ) au rouge ( longueur d onde 780 nm ) Décomposition de la lumière blanche à travers un prisme Arc en ciel : décomposition de la lumière blanche au travers des fines gouttelettes d eau qui jouent le rôle de milliers de prismes.

9 Remarques : a) Le rayonnement infrarouge est un rayonnement d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible ( longueur d onde supérieure à 780 nm ) : on ne peut donc pas le voir. L'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge. Cependant, avec des lunettes spéciales, on peut voir la nuit grâce au rayonnement infrarouge : Il est possible, de nuit, d avoir une vision comme en plein jour. Passage vidéo n 3 ( l utilité des infrarouges ). b) Les rayons ultraviolets ( longueur d onde inférieure à 380 nm ). Leur utilité : permet de synthétiser la vitamine D ( intervient dans l absorption du calcium ), permet d aider au traitement de l eczéma. Leur défaut : Des expositions intenses prolongées au soleil ou à des rayonnements artificiels (issus par exemple de lampes ultraviolet pour le bronzage ) peuvent provoquer des tumeurs et cancers.

10 b) Les couleurs : 1) Les différents types de couleurs : Couleurs primaires : Une couleur est dite primaire si elle n est pas obtenue par le mélange d autres couleurs. Il en existe trois : le rouge, le vert et le bleu ( système RVB ). Couleurs secondaires : Les couleurs secondaires sont obtenues en mélangeant en partie égales deux couleurs primaires : exemples : Couleur n 1 Couleur n 2 Couleur secondaire Couleurs tertiaires : Les couleurs tertiaires sont obtenues en mélangeant en parties égales une couleur primaire et une couleur secondaire ( ou en mélangeant en parties inégales deux couleurs primaires ). Exemples : Couleur primaire Couleur secondaire Couleur tertiaire 2) Les filtres de couleur : La couleur d un objet dépend de la lumière qui l éclaire. Un objet coloré diffuse une lumière colorée correspondant à sa propre couleur. Il absorbe les autres lumières. Un objet blanc prend la couleur de la lumière qui l éclaire : il diffuse toutes les lumières colorées. Un objet noir absorbe toutes les lumières. Pour observer des objets sous une autre lumière, on peut utiliser un filtre : c est un dispositif qui laisse passer une partie du rayonnement lumineux.

11 Exemples : Un filtre rouge ne laisse passer que le rouge et arrête les couleurs primaires vertes et bleues. Un filtre jaune laisse passer sa composante rouge et verte et arrête le bleu. Passage vidéo n 4 ( Couleur d un objet en fonction de la lumière qui l éclaire ). Exercice d application : e/optique/couleur_objets_3_exercice.htm c) Déplacement de la lumière : Puisque la lumière n est pas un objet matériel (on ne peut la toucher!) au lieu de dire qu elle se déplace on utilise le terme se «propager». Une première condition pour que la lumière puisse se propager est d avoir un milieu transparent (comme l air, le vide ou le verre) Dans un milieu transparent comme l air, la lumière se propage alors en ligne droite. Pour exprimer que la trajectoire de la lumière est une ligne droite on dit que sa propagation est rectiligne. Passage vidéo n 5 ( expérience propagation rectiligne de la lumière ). Remarque : Pour que la propagation de la lumière soit rectiligne, le milieu de propagation doit également être homogène. Cela signifie que le milieu doit avoir la même composition en tous points ainsi que les mêmes caractéristiques (température notamment).

12 En été, par exemple, l air est plus chaud au niveau du sol ce qui courbe le trajet de la lumière et donne l impression d une surface trouble voire recouverte d eau. Ce phénomène est également à l origine de la formation des mirages. Pour représenter le chemin suivi par la lumière, on trace un rayon de lumière. Puisque la lumière se propage de manière rectiligne, celui-ci est représenté par une droite à laquelle on ajoute une flèche afin d indiquer le sens de propagation. Un faisceau de lumière est constitué de l ensemble des rayons de lumière émis par la source. Exemple d un faisceau de lumière créé par le passage de la lumière au travers d un nuage.

13 d) Vitesse de la lumière : 1) Un peu d histoire : La vitesse de la lumière est si grande que, pendant très longtemps, on a cru qu elle se propageait instantanément. La première mesure a été effectuée en 1676 par Ole Romer qui a trouvé une vitesse de km/s. Celle-ci a été revue à la hausse en 1725 par Bradley qui a calculé une vitesse de km/s. Vers 1850, Fizeau et Foucault ont trouvé une vitesse de km/s qui est quasiment la valeur exacte de celle-ci. 2) La vitesse de la lumière varie selon la nature du milieu traversé : En voici quelques exemples : Vide : v = km/s valeur arrondie à km/s. Eau : v = km/s valeur arrondie à km/s. Verre : v = km/s. On considère que la vitesse de la lumière dans l air est la même que celle dans le vide. 3) Une autre unité de distance : l année lumière : Une année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en une année dans le vide. On rappelle que d = v t, où v représente la vitesse et t le temps du parcours. Comme v = km/s, pour déterminer la distance parcourue en une année par la lumière, il faut déterminer le nombre N de secondes représentées par une année. N = N = s

14 On en déduit alors la distance en km parcourue par la lumière en une année : D = D = Une année lumière correspond à km, environ dix mille milliards de kilomètres : cette unité est utilisée pour déterminer la distance entre étoiles ou entre galaxies. 4) Mesure de distance avec la lumière : Aujourd hui, on mesure «facilement» la distance Terre-Lune en effectuant des tirs laser sur un réflecteur posé à la surface de la Lune. Un laser émet une impulsion lumineuse depuis la Terre vers un réflecteur posé sur le sol lunaire. Une partie du faisceau lumineux est réfléchie vers la Terre. La mesure de la durée t de son déplacement permet alors de calculer la distance d séparant la Terre et la Lune. La précision est de quelques centimètres. Le temps moyen du déplacement est de 2,56 s, soit une distance d égale à ,56 = km pour un aller-retour ce qui correspond à une distance de km entre la Terre et la Lune.

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