Chapitre 6 - La lumière

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1 Chapitre 6 - La lumière Lumière : «Agent physique capable d'impressionner la rétine de l'oeil.» Optique : «Branche de la physique qui étudie la lumière et les phénomènes s y rattachant.» optique géométrique optique physique (nature et comportement de la lumière) optique quantique (interaction lumière-matière) Étude de la formation des images par des miroirs et des lentilles, basée sur la propagation rectiligne de la lumière. Étude de la propagation de la lumière surtout par le modèle ondulatoire : la lumière est faite des ondes du spectre électromagnétique (ondes radios, les infrarouges ou les rayons X...). Étude de l'interaction entre la lumière et la matière surtout par le modèle corpusculaire : la lumière est faite de corpuscules appelés photons (ou quanta). Catoptrique: «Partie de l optique étudiant la réflexion de la lumière.» Dioptrique : «Partie de l optique étudiant la réfraction de la lumière.» A- Caractéristiques de la lumière 1) Propagation de la lumière a) La lumière se déplace en ligne droite. a) La lumière se déplace en ligne droite. b) La lumière peut être déviée. c) La lumière peut passer à travers des objets. d) La lumière se déplace très vite. Rayon lumineux : «Trajet rectiligne d'une radiation lumineuse visible à partir d'un point de la source. Un faisceau est un ensemble de rayons.» Faisceau Faisceau Faisceau parallèle divergent convergent b) La lumière peut être déviée :

2 c) La lumière peut passer à travers des objets Opaque : «Se dit d un corps qui le passage de la lumière.» Transparent : «Se dit d un corps que la lumière sans être diffusée : on peut donc reconnaître les objets situés de l autre côté.» Translucide : «Se dit d un corps que la lumière traverse en étant : on ne peut pas reconnaître ce qui est de l autre côté.» Absorption : «Diminution progressive de l intensité du faisceau traversant un milieu transparent quelconque.» Ombres et pénombres Lumière ambiante : «Lumière provenant de toutes les directions avec la même intensité. Elle est constante partout et sans ombre.» d) La lumière se déplace très vite c = 3,00 x 10 8 m/s Lecture : Feuilles 6 # A1-11 Page 2 de 9

3 B- Couleurs 1) Longueur d onde et fréquence La caractéristique principale des ondes lumineuses est leur longueur (symbole : lettre grecque lambda ë). c : ë : f : vitesse de la lumière (m/s) longueur d'onde (m) fréquence (Hz) Ex(1) : Quelle est la fréquence d une radiation dont la longueur d onde est de 625 nm? Ex(2) : Quelle est la longueur d onde d un photon dont la fréquence est de 6, Hz? De quel type de rayonnement s agit-il? Page 3 de 9

4 Polychromatique : «Se dit d un rayon lumineux formé de radiations ayant différentes longueurs d'onde et donc différentes.» Ex(1) : On décompose la lumière blanche en utilisant un prisme de verre. La lumière blanche est polychromatique. Un rayon de lumière blanche est formée de toutes les couleurs visibles formant un dégradé continu du rouge au violet (rouge - orange - jaune - vert - bleu - (indigo) - violet). Dans un arc-en-ciel, les gouttes d'eau jouent le rôle du prisme. Dispersion : «causée par la réfraction de la lumière.» Monochromatique : «Se dit d un rayon lumineux formé de radiation d'une seule longueur d'onde et donc d une seule.» Ex(2) : Il n y a pas de séparation de c o u l e u r d u n r a y o n monochromatique traversant un prisme. Le rayon transmis a la même couleur. Page 4 de 9

5 2) Perception des couleurs - télévision et écran couleurs : synthèse additive des couleurs Les couleurs ne sont pas des réalités et n'existent pas en tant que telles. Elles ne sont que la manière que le cerveau humain perçoit la réalité d'une longueur d'onde particulière. La rétine de l oeil est composée de bâtonnets et de cônes (photo). Ces derniers sont de trois types. Chaque type est sensible à une région du spectre lumineux bien définie: bleu, vert et rouge. Ces trois couleurs sont appelées couleurs primaires. Ex(1) : Un rayon monochromatique jaune parvient à un oeil d'une personne. Quelle couleur sera perçue par la personne? Un rayon formé de jaune, d un peu de vert et d un peu d orange parvient au même oeil. Quelle couleur est perçue...? Un rayon formé de vert et de rouge parvient encore à cet oeil. Quelle couleur est perçue...? L oeil n est pas capable de distinguer un rayon monochromatique d un rayon polychromatique. Pour faire la distinction, il faut tenter de disperser la lumière. L oeil perçoit le résultat de toutes les couleurs qui lui parviennent. Page 5 de 9

6 3) Perception des couleurs - Peinture et filtres: synthèse soustractive des couleurs Ex(1) : Un objet noir et. Un objet blanc et. est opposé à Un objet jaune absorbe presque tout, ne laissant repartir que. Un filtre jaune absorbe presque tout, n étant traversé que par. Ex(2) : Un chandail rouge est éclairé par de la lumière bleue. De quelle couleur le verra-t-on? Lecture: Le fonctionnement de l oeil La perception des couleurs (page web, compléments au cours) Exercices Feuilles 6 - B1-11 Page 6 de 9

7 C- Phénomènes lumineux 1) Émission de lumière Tous les phénomènes où il y a émission lumineuse sont liés aux mouvements des électrons sur les couches électroniques entourant les atomes. Le principe est toujours le même : des électrons passant d une couche supérieure à une couche inférieure causent l émission d une radiation dont la longueur d'onde (et donc la couleur) dépend de l'énergie libérée. Ce qui change d'une méthode à l'autre, c'est la façon par laquelle l'électron obtient l'énergie lui permettant au préalable de monter de niveau. Incandescence : «État d un corps rendu lumineux par.» Luminescence : «Émission de lumière par un corps.» La cause de l émission de lumière provoquée par bioluminescence est... cathodoluminescence est... chimiluminescence est... électroluminescence est... photoluminescence est... radioluminescence est... sonoluminescence est... thermoluminescence est... triboluminescence est Fluorescence : «Luminescence d'une substance (solide, liquide ou gaz) due à une transition spontanée des molécules, d'un état excité vers l'état fondamental.»...c est à peu près la même chose que la photoluminescence. Phosphorescence : «Propriété qu'ont certains corps d'émettre, sous l'excitation d'un rayonnement (visible ou non) et sans dégagement sensible de chaleur, un rayonnement de plus grande longueur d'onde (photoluminescence), même après suppression de l'excitation.»...la différence entre les deux est que lors de la fluorescence, l émission de lumière suit l'excitation des atomes, alors que pour la phosphorescence, s é p a r e l'excitation de l'atome de l'émission de lumière. Page 7 de 9

8 2) Éclairage domestique Ampoule à incandescence (ampoules classiques) Un filament de tungstène poli où passe un courant électrique est chauffé jusqu'à une température d'environ 2600 C. Malgré la présence d'un gaz inerte (Ar ou Kr), un peu de tungstène situé à la surface du filament sublime et se dépose à la surface intérieure de l'ampoule. L'ampoule noircit et le filament s'amincit. Éventuellement, il brise : l'ampoule «brûle». Lampe à halogène (ampoules halogènes) On ajoute dans l'ampoule à incandescence un peu de gaz halogène, en général fluor, brome et iode. Le tungstène déposé sur le verre de l'ampoule se combine au gaz halogène et ces produits reviennent au filament en y rapportant les atomes de tungstène. Ainsi, l'ampoule halogène dure plus longtemps et noircit très peu. On peut également la faire fonctionner à une température supérieure (3000 C), produisant proportionnellement plus de lumière (et d'une couleur plus naturelle) pour une puissance consommée équivalente. Lampe à décharge (lampadaires, éclairage de gymnase, flash, lampse de projecteurs...) Cette lampe utilise l'électroluminescence des gaz. L'excitation des atomes de gaz est due au choc d'électrons rapides. Ces électrons sont d'abord libérés d'une cathode par chauffage (ou par l'impact d'ions positifs résultants de collisions antérieures) et accélérés par une tension électrique. Tube fluorescent (tubes «néon», ampoules fluorocompacts...) Tube à décharge à vapeur de mercure. Les rayons UV produits par la décharge du mercure excite la poudre qui tapisse l'intérieur du tube et produit de la lumière par photoluminescence. La couleur émise dépend surtout de la nature de la substance photoluminescente: vert pour le silicate de zinc, rose pour le borate de cadmium... Diode électroluminescente (ampoules DEL, LED en anglais) Deux zones sont séparées par un semi-conducteur. Sous une faible tension, une des zones se charge en électrons et l autre en «trous» (manque d électrons). En se recombinant, les électrons et les trous émettent un photon. À l'heure actuelle, l'éclairage par DEL commence à être intéressant. On s en sert comme feux de signalisation automobile (clignotant, veilleuses, feux de position), DEL noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes d aéroports la nuit ou par temps de brouillard, signalisation portative individuelle (piéton, cycliste) ou éclairage de courte portée portatif. Évidemment, on s en sert comme voyant lumineux. Enfin, il commence à y avoir de nombreux types d ampoule de type DEL pour l éclairage domestique. ( ) (Type-éclairage) Exercices Feuilles 6 - C1-4 Page 8 de 9

9 Sources modernes d éclairage Lampe DEL Lampe incandescente Lampe à fluorescence Lampe au sodium Halogène Mercure Prix Moyen à Élevé Faible Moyen Durée de vie ( x1000 h) 50 à à à 22 2 à 4 16 à 20 Échauffement Inexistant Important Moyen Élevé Élevé Moyen Solidité Très bonne Mauvaise Flux lumineux (lm) 2 à 800 Plusieurs centaines Taille Faible Petite à Moyenne Moyenne à grande Petite à Moyenne Moyenne à grande Rendu des couleurs Moyen à Bon Excellent Mauvais à bon Mauvais Excellent Mauvais à bon Utilisation Voyants Éclairage domestique Éclairage domestique Éclairage public et domestique Éclairage urbain Éclairage domestique Éclairage urbain Page 9 de 9