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1 LA LUMIÈRE Solar Impulse est un avion qui n utilise pas de carburant fossile, mais uniquement de l énergie venant de la lumière du Soleil, c est une énergie inépuisable et disponible en tout temps. Cette fiche te permettra de découvrir ce qu est la lumière et de faire quelques manipulations pour mieux comprendre certaines de ses propriétés. Projet : EPFL dgeo Solar Impulse Rédaction : Michel Carrara Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro Centre d impression EPFL Suivi de projet : Yolande Berga 1/8

2 QU EST-CE QUE LA LUMIÈRE? «C est d abord ce que je vois. Quand je vous vois, c est parce qu il y a de la lumière. Je ne vois pas la lumière, mais c est grâce à la lumière que vous émettez que je vous vois.» Hubert Reeves La lumière est donc ce qui rend les objets visibles à notre œil, mais c est bien plus que cela : il s agit de la partie visible de ce qu émet notre Soleil. On distingue généralement dans cette lumière sept couleurs, celles de l arc-en-ciel : le rouge, l orange, le jaune, le vert, le bleu, l indigo et le violet. Pour visualiser ces couleurs, il suffit d observer la surface d une bulle de savon ou d un CD. La lumière y est décomposée. rayon du soleil Steve Jurvetson (CC-BY) Dans un arc-en-ciel, ce sont les gouttes d eau en suspension dans l atmosphère qui décomposent la lumière du Soleil. observateur Décomposition de la lumière par les gouttes d eau formant un arc-en-ciel Bricotest: Décompose la lumière à l aide d un CD et d une bulle de savon Par une journée ensoleillée, il est possible de voir les couleurs de l arc-en-ciel grâce à un CD ou à une bulle de savon. Il suffit d orienter correctement la surface brillante du CD ou la bulle de savon pour voir la décomposition de la lumière (couleurs de l arc-en-ciel). Bricotest: Regarde la lumière émise par l élément sodium Remplis le pulvérisateur d eau fortement salée et pulvérise cette solution dans la direction de la flamme du brûleur. Observe la couleur émise. Matériel : du sel de cuisine, de l eau, un pulvérisateur et un brûleur à gaz 2/8 LA LUMIÈRE

3 Le Soleil L énergie solaire transmise par rayonnement rend possible la vie sur Terre par un apport d énergie thermique et de lumière, permettant la présence d eau à l état liquide et la photosynthèse des végétaux. Le rayonnement solaire est aussi responsable des climats et de la plupart des phénomènes météorologiques observés sur notre planète. SYNTHÈSE DE LUMIÈRE Si on superpose les lumières des différentes couleurs de l arc-en-ciel, on obtient de la lumière blanche. On peut aussi retrouver de la lumière blanche en superposant les lumières des couleurs primaires (rouge, bleu et vert). lumière rouge lumière jaune lumière magenta lumière bleue lumière blanche lumière cyan Que se passe-t-il lorsque nous voyons un vase en nous disant qu il est bleu, une fleur en nous disant qu elle est jaune? lumière verte Addition des couleurs primaires La matière de chaque objet reçoit la lumière à sa façon. Ainsi le vase que l on voit bleu absorbe la lumière et ne réémet que le bleu. C est celle-ci que notre œil perçoit. De même pour la fleur jaune, elle absorbe la lumière dans son ensemble et ne réémet que le rouge et le vert dont le mélange donne le jaune, ce qui nous fait dire que la fleur est jaune. Bricotest: Regarde l addition des couleurs Superpose les différentes lumières afin d observer les couleurs obtenues. Matériel : 3 lampes avec des ampoules de couleur rouge, verte et bleue ou 3 lampes avec des diapositives rouge, verte et bleue placées devant. Fabrique un téléphone et communique avec ton camarade Matériel 2 pots de yaourt 3 à 5 mètres de ficelle de cuisine 1 grosse épingle 1 paire de ciseaux 1 copain! LA LUMIÈRE 3/8

4 MAIS QU EST-CE QU UNE ONDE? [1] La couleur est en réalité la perception subjective qu a une personne d une ou de plusieurs longueurs d ondes lumineuses. En effet, la lumière est une onde électromagnétique. Sans doute as-tu déjà jeté un caillou dans l eau calme. À ce moment-là, la surface plane de l eau est perturbée, faisant apparaître des vagues. Ces vagues ne restent pas sur place, elles se déplacent. Elles s écartent toutes en cercles concentriques de l endroit où le caillou est entré dans l eau. C est un exemple d onde qui permet de donner une première définition : une onde est une perturbation qui se déplace. Dans notre exemple, il s agit d une perturbation de la surface de l eau. Mais des ondes se forment dans d autres situations. Roger McLassusn (CC-BY-SA) Ainsi, les mouvements qui agitent une corde tendue sont également des ondes : en donnant à une extrémité de la corde un mouvement brusque, la déformation de la corde (la perturbation) se déplace jusqu à l autre bout. On a, là encore, une perturbation qui se déplace, ce qu on appelle une onde. Mais cet exemple nous permet aussi de mettre en évidence le fait que la matière elle-même, dans laquelle l onde se propage, ne bouge pas. La perturbation créée s est déplacée, mais la corde n a pas bougé. De même, imaginons un bouchon flottant sur une eau calme et sans vent : si une petite vague passe, elle soulève le bouchon, puis le repose, mais en aucun cas le bouchon n a été emporté par la vague! Il est resté sur place. Une onde n est pas accompagnée de déplacement de matière. La vague contient de l énergie. Mais elle n est pas accompagnée d un déplacement d eau. C est finalement juste de l énergie qui circule. En effet, il faut de l énergie pour soulever le bouchon, et de même, il faut de l énergie pour créer une impulsion sur la corde. Les ondes jouent en fait un grand rôle pour nos sens, car l énergie qu elles transportent, c est aussi de l information que notre corps perçoit : nos yeux et nos oreilles sont là pour capter ce que la lumière ou le son, qui sont des ondes, nous transmettent, sans qu il y ait besoin que de la matière soit déplacée. Donc, la lumière est une onde électromagnétique. [2] Nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique (comme le champ magnétique terrestre, par exemple, qui oriente une boussole, voir fiche «LES AIMANTS»). Si on crée une petite perturbation de ce champ, elle se propage. Perturber le champ électromagnétique, c est comme créer des vagues à la surface de l eau en y jetant un caillou. On crée de petites perturbations qui se propagent, c est-à-dire des ondes. [1] Paragraphe inspiré de (consulté le ). [2] Paragraphe inspiré de (consulté le ). 4/8 LA LUMIÈRE

5 Et bien, la lumière est justement une onde électromagnétique. La lumière est une perturbation du champ électromagnétique qui se déplace. Cela lui donne la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, parce que même dans le vide, il y a un champ électromagnétique. Ce n est pas le cas des autres ondes, qui ont besoin d un support matériel : par exemple, le son se déplace dans l air et les vagues à la surface de l eau. Les perturbations du champ électromagnétique, dont la lumière, se déplacent à une vitesse vertigineuse : kilomètres par seconde dans le vide ou dans l air! En une seconde, la lumière a le temps de faire plus de 7 fois le tour de la Terre. Elle met un peu plus de 8 minutes pour faire le trajet Soleil-Terre. 1 pm 1 nm 1 μm 1 mm 1 m 1 km λ Rayons γ Rayons X U.V. Infrarouges Micro-ondes Ondes radio Spectre visible 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm 800 nm Le spectre des ondes électromagnétiques est bien plus étendu que celui de la lumière visible, il englobe tous les rayonnements dont chacun a entendu parler. [3] Si on étudie les ondes électromagnétiques émises par le Soleil, la partie visible de ce qui nous parvient est la partie qui a la plus grande intensité. Intensité (kw/m 2 ) U.V. Visible Infrarouges Spectre d émission du soleil mesuré au niveau de la mer Longueur d onde (en nm) [3] Le visible correspond à la lumière perçue par l homme, les rayons γ sont des rayonnements radioactifs, les rayons X sont utilisés pour les radiographies, les U.V. (ultra-violets) sont des rayonnements de hautes énergies bien connus, les infrarouges correspondent à des rayonnements de chaleur, les micro-ondes et les ondes radios sont des rayonnements aussi bien connus de tous. L échelle utilisée pour décrire le spectre des ondes électromagnétiques est celle de la longueur d onde (définie dans la suite de cette fiche. Les pm sont les picomètres (10-12 m), les nm sont les nanomètres (10-9 m), les μm sont les micromètres (10-6 m), les mm sont les millimètres (10-3 m), les m sont les mètres et les km sont les kilomètres (10 3 m). LA LUMIÈRE 5/8

6 L ÉNERGIE DE LA LUMIÈRE Chaque couleur a une longueur d onde (λ) différente (cette longueur correspond, pour l exemple du caillou jeté dans l eau, à la distance entre deux sommets de vagues), donc une énergie différente. Bien que le spectre soit continu et qu il n y ait pas de frontière claire entre une couleur et la suivante, la tabelle ci-contre donne les limites approchées des couleurs qui constituent la lumière blanche. [4] Longueur d onde λ : Rouge 800 à 620 nm Orange 620 à 590 nm Jaune 590 à 575 nm Vert 575 à 492 nm Bleu 492 à 465 nm Indigo 465 à 435 nm Violet 435 à 400 nm L énergie transportée par la lumière est responsable de l échauffement que l on ressent lorsqu on s expose au soleil. On appelle photon la particule de lumière qui transporte cette énergie. On calcule l énergie E grâce à la relation suivante établie par Planck : E = h ν = h c λ E l énergie en joules [J] h la constante de Planck : h = 6, [J s] ν la fréquence en hertz [Hz] λ la longueur d onde en mètres [m] c la vitesse de la lumière dans le vide : c = [m/s] = [km/s] Il est possible d utiliser cette énergie pour la transformer en une autre forme d énergie : l électricité. C est le principe des panneaux solaires photovoltaïques. C est justement de ce type d équipement qu est muni Solar Impulse. Il vole grâce à la lumière! Pour en savoir plus sur cette transformation de l énergie lumineuse en électricité, consulte la fiche «LES CELLULES SOLAIRES». Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) est un physicien allemand, lauréat du Prix Nobel de physique en 1918, de la Médaille Lorentz en 1927, et du prix Goethe en [4] Source : (consulté le ). 6/8 LA LUMIÈRE

7 ET TOUT CELA EN CHIFFRES Exercice 1 Cette illustration contient une erreur scientifique. Laquelle? Exercice 2 Complète chaque phrase en utilisant le verbe de la liste ci-dessous qui paraît le plus approprié : diffuser, étaler, transmettre, réfléchir, absorber, disperser, éclairer, émettre Un objet noir la lumière. La nuit, nous pouvons voir la Lune car elle la lumière du Soleil. Le Soleil nous éclaire car il de la lumière. Une fleur est invisible si elle n est pas. Exercice 3 Cette photo prise en 2004 représente la nébuleuse Dumbell, connue pour être la nébuleuse planétaire la plus facile à observer avec un instrument d optique. Sa forme en papillon est le résultat de l explosion d une étoile qui se déroule sous nos yeux alors qu elle s est produite il y a 3500 ans. Explique comment il est possible d observer aujourd hui une explosion qui a eu lieu il y a 3500 ans. Lukáš Kalista (CC-BY-SA) LA LUMIÈRE 7/8

8 Exercice 4 Alkaïd, une des étoiles de la Grande Ourse, est située à 9, km de la Terre. Calcule le temps que met la lumière pour nous parvenir. Exprime le résultat en secondes puis en années. Exercice 5 La vitesse de la lumière dans le vide est très grande : km/s. Elle met 4 heures et 12 minutes pour aller du Soleil à Neptune, planète la plus éloignée du Système Solaire. Calcule la distance Soleil-Neptune en km. Exercice 6 En superposant des lumières composées de couleurs primaires, quelles couleurs peut-on obtenir? Superposition de lumières Rouge et bleu Rouge et vert Vert et bleu Rouge, vert et bleu Couleur perçue Exercice 7 Absorption de la lumière par un objet a) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l éclaire avec de la lumière cyan? b) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l éclaire avec de la lumière bleue? Exercice 8 Que devrait-on dire au lieu de «cet objet est de couleur bleue»? Exercice 9 En considérant les longueurs d ondes suivantes, détermine la couleur correspondante et calcule l énergie associée à un photon de cette couleur : Longueur d onde [nm] Couleur Energie [J] 8/8 LA LUMIÈRE