Module 3 La lumière et les systèmes optiques. Thème 1 Qu est-ce que la lumière?

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1 Module 3 La lumière et les systèmes optiques Thème 1 Qu est-ce que la lumière? La lumière est la forme d énergie que l on peut voir. Le Soleil est une source de lumière naturelle. Le feu est une autre source de lumière naturelle. La lumière rayonne à partir du Soleil dans toutes les directions. Ce type de transfert d énergie (rayonnement) n a pas besoin de matière pour se déplacer. L énergie de la lumière qui de déplace par rayonnement porte le nom d énergie rayonnante. La lumière du Soleil provient de la fusion nucléaire des particules d hydrogène. Le Soleil se compose d environ 70% d hydrogène. Lorsque les particules fusionnent (se combinent), elles forment une autre particule, appelé hélium. Ce processus libère une énorme quantité d énergie sous forme de chaleur et de lumière. La température à l intérieur du Soleil est d environ C. Nous ne pourrions pas vivre sans la lumière du Soleil. Nous avons inventé des appareils d éclairage ou lumières artificielles. L ampoule (source de lumière artificielle) rayonne dans toutes les directions comme la lumière du Soleil. La première propriété fondamentale de la lumière La lumière est une forme d énergie (première propriété fondamentale). Lorsque la surface absorbe la lumière, elle peut être transformée en énergie sous diverses formes. Elle peut devenir de l énergie thermique, de l énergie électrique ou de l énergie chimique. L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'agitation microscopique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes.

2 L'énergie électrique est l'énergie fournie sous forme de courant électrique à un système électrotechnique ou électronique. L'électricité est directement utilisable pour effectuer un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, chauffer, etc. L énergie chimique : lorsque deux atomes s'unissent pour former une molécule, la liaison chimique créée stabilise le système : ceci se traduit par une libération d'énergie, généralement sous forme de chaleur et ou de lumière. La quantité d énergie qu une surface peut recevoir dépend de la brillance ou de l intensité de la lumière. La surface absorbera plus d énergie si l intensité de la lumière augmente.

3 Les sources de lumière Les sources de lumières primaires produisent de la lumière par elle-même Exemples: -Soleil -Feux d artifices -Lave (volcans) -Éclairs Les sources de lumière secondaires sont des objets qui renvoient une partie de la lumière qu ils reçoivent Exemples: -Comète -Lac -Pomme -Terre Les sources d incandescence On peut chauffer un objet à une température tellement élevée qu il émettra une lumière visible. Un objet semblable est une source d incandescence de lumière. L émission de lumière visible par un objet chaud est appelée incandescence. La flamme d une chandelle et une ampoule électrique sont 2 exemples. Dans une ampoule ordinaire le courant électrique chauffe un filament de métal. Le filament devient si chaud qu il émet une lumière blanche. Énergie électrique énergie thermique énergie lumineuse visible

4 Les sources de fluorescence La lumière noire rend certains vêtements lumineux, en particulier les vêtements blancs. C est parce que les particules du tissu absorbent le rayonnement ultraviolet invisible à haute énergie. Les particules émettent ensuite une partie de cette énergie sous forme de lumière visible qui re3nd les vêtements lumineux. Cette lumière porte le nom de fluorescence. Énergie du rayonnement ultraviolet énergie absorbée par les particules énergie lumineuse visible Le rayonnement ultraviolet peut causer des dommages aux yeux. Ne regarde jamais directement une source de rayonnement ultraviolet. Une source de fluorescence utilise ce transfert d énergie. Le courant électrique qui provient des entrées de courant et des électrodes fait réagir la vapeur de mercure qui émet alors un rayonnement ultraviolet. L intérieur du tube est recouvert d une couche fluorescente de phosphore qui absorbe l énergie ultraviolette. C est cette absorption qui rend la couche lumineuse et qui produit la lumière. Dans une source fluorescente le transfert d énergie se résume ainsi : Énergie électrique énergie absorbée par les particules de mercure énergie du rayonnement ultraviolet énergie absorbée par les particules de phosphore énergie de lumière visible

5 Les tubes fluorescents ont certains inconvénients par rapport aux ampoules à incandescence. Ils coûtent plus chers à fabriquer et sont plus difficiles à éliminer que les ampoules à incandescence. De plus, l enduit de phosphore et la vapeur de mercure de ces tubes sont toxiques. Cependant, si l on compare les transferts d énergie d un tube fluorescent et d une ampoule à incandescence, on trouve plusieurs avantages du côté des sources de fluorescence. La source de lumière fluorescente ne dégage pas autant d énergie thermique. On peut même toucher les tubes allumés. L éclairage fluorescent gaspille beaucoup moins d énergie en chaleur que l éclairage incandescent. L éclairage fluorescent offre un meilleur rendement énergétique. Les sources de phosphorescence La source de phosphorescence est comparable à la source de fluorescence. L énergie lumineuse est absorbée par certaines particules capables d emmagasiner cette énergie pendant quelques temps. L énergie emmagasinée est ensuite libérée est libérée sous forme de lumière visible. La source d énergie lumineuse peut être un rayonnement ultraviolet à haute énergie ou une lumière visible. À la suite d exposition à une source de rayonnement et après le retrait de cette source, l émission de lumière qu on obtient s appelle phosphorescence. La principale différence entre une source de fluorescence et de phosphorescence est que les particules de la source de fluorescence libèrent leur énergie lumineuse immédiatement. Les particules de phosphorescence émettent de la lumière plus lentement et continuent à briller pendent un certain temps après le retrait de la source d énergie. Les sources de chimioluminescence La lumière peut aussi provenir de l énergie libérée lors d une réaction chimique. La réaction chimique produit des particules qui émettent une énergie lumineuse visible. Ce processus est la chimioluminescence. Le transfert d énergie est le suivant : Énergie chimique énergie lumineuse visible

6 Souvent utilisés comme lampes de signalisation d urgence, les bâtons lumineux produisent de la lumière par chimioluminescence. Ce type de bâton contient 2 liquides séparés par une paroi cassable. Lorsqu on plie le bâton, la paroi se brise. Alors le mélange des liquides provoque une réaction chimique qui prduit de la lumière. Les sources de bioluminescence Certains organismes vivants peuvent produire une lumière qui s appelle la bioluminescence. C est le résultat de réactions chimiques qui ont lieu à l intérieur de leur corps et qui produisent de l énergie lumineuse. Le coût de l éclairage L énergie électrique coûte environ 8 par kilowattheure. Le watt est une unité de puissance électrique. Un kilowattheure équivaut à l utilisation de 1000 watts de puissance électrique pendant une heure. Le symbole du watt est W, et le symbole du kilowattheure est kwh. Exemple : Combien coûte une ampoule de 60 W allumée pendant 10 heures si l énergie électrique coûte 8 /kwh

7 Solution : 1. Convertis 60 W en kilowatt en le divisant par 1000 = = 0,06 2. Calcule le nombre de kilowattheures en multipliant la puissance par le nombre d heures Nombre de kwh = 0,06 x 10 h = 0,6 kwh 3. Calcule le coût d éclairage en multipliant le nombre de kilowattheures par le coût de 1 kilowattheure Coût = 0,6 kwh x 8 /kwh = 4,8 Donc laisser l ampoule allumer pendant 10 heures coûte 4,8. Un tube fluorescent d une puissance de 12 W produit la même quantité de lumière qu une ampoule à incandescence de 60W. Quel serait le coût d un tube de 12 w qui serait allumé pendant 10 heures si l énergie électrique coûte 8 /kwh Pratique : Combien coûte une ampoule de 100 W allumée pendant 50 heures si l énergie électrique coûte 8 /kwh Le modèle de la représentation géométrique de la propagation des rayons ou modèle du rayonnement de la lumière La lumière voyage en ligne droite. Un rayon est une ligne droite qui représente le parcours d un faisceau de lumière. Tu peux utiliser le modèle pour prédire la taille des ombres et l endroit ou elles se formeront. Voir Figure 3.11A et Figure 3.11B à la page 185. Les faisceaux de lumière se déplacent dans toutes les directions à partir d une source. Le modèle peut aussi t aider à comprendre ce qui arrive lorsque l énergie lumineuse frappe différents types de matières. Lorsque la lumière traverse des matières claires, les rayons continuent leur parcours en ligne droite. Ces matières sont dites transparentes. L air, l eau et le cristallin de tes yeux sont transparents. Le papier change la direction d une partie des rayons lumineux et réfléchit l autre partie des rayons. Les matières comme le papier sont translucides. De nombreuses matières ne laissent pas passer la lumière. On dit qu elles sont opaques. Les matières opaques projettent des ombres. Voir Figure 3.12 à la page 185.

8 Lumière réfléchie: La lumière réfléchie est une lumière renvoyée par le sujet. La lumière ne passe pas à travers le sujet. Lumière transmise: La lumière transmise est une lumière qui passe à travers le sujet.

9 Lumière absorbée: La lumière absorbée est une lumière qui est quasi-totalement absorbée par le sujet, une petite partie sera réfléchie. Lumière diffusée: La lumière diffusée est une lumière répandue dans toutes les directions par le sujet.