Leçon N 4. Par groupe de quatre élèves, formuler des hypothèses en tentant de répondre aux questions suivantes :

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1 Son et Lumière Leçon N 4 Lumières et couleurs I. DÉCOMPOSITION DE LA LUMIÈRE BLANCHE Question du jour : combien y a-t-il de couleurs dans un arc-en-ciel? Activité n 1 : Formulation d hypothèses Par groupe de quatre élèves, formuler des hypothèses en tentant de répondre aux questions suivantes : 1. Dans quelles conditions observe-t-on un arc-en-ciel? 2. De quelle source proviennent les différentes couleurs observées? 3. À votre avis, combien de couleurs peut-on voir dans un arc-en-ciel? Lumières et couleurs (SL5) Cours 1-5

2 Activité 2 : Etude de document En 1666, Isaac Newton comprend que la lumière blanche est la superposition de rayonnements de différentes couleurs observant sa décomposition par un prisme. En 1873, James Clerk Maxwell établit que la lumière blanche est l ensemble des ondes électromagnétiques perceptibles par l œil humain. La lumière blanche est un ensemble d ondes monochromatiques. La couleur d une onde monochromatique est caractérisée par sa longueur d onde, en nanomètre ( ). Un réseau est une plaque transparente, rayée (plusieurs centaines de rayures parallèles/mm). Pour une lumière blanche passant par une fente étroite et parvenant sur le réseau, on observe sur un écran blanc des franges de différentes couleurs autour d'une frange centrale blanche. On dit que le réseau disperse la lumière blanche. Questions : 1. Qu est-ce que la lumière blanche? 2. Quelle serait la définition du mot monochromatique? 3. Quel adjectif pourrait convenir pour caractériser la lumière blanche? 4. Quelle est la couleur d une onde monochromatique de longueur d onde 500 nm? 5. Quelle est la longueur d onde du laser utilisé en classe? 6. Existe-t-il des ondes monochromatiques que l œil humain est incapable de percevoir? Si oui, donner un exemple. 7. Que signifie «disperser» la lumière? 8. Quels objets permettent de disperser la lumière blanche? Note : Présenter aux élèves les différents prismes et réseaux et l ensemble du matériel disponible. Activité 3 : Expériences Pour chaque groupe de 4 élèves, proposer un protocole expérimental pour répondre à la «question du jour» en complétant la fiche d expérimentation et en tenant compte des points suivants : choisir parmi le matériel disponible au laboratoire ; un même matériel peut être utilisé plusieurs fois par différents groupes ; chaque expérience qui aura été proposée sera validée ou non par la classe ; chaque résultat d expérience sera validé ou non par la classe ; si une expérience n est pas validée, elle peut subir des modifications et être testée à nouveau. Description Expérience proposée Schéma du montage Expérience validée OUI NON Résultat validé OUI NON Réponse à la question Lumières et couleurs (SL5) Cours 2-5

3 La lumière blanche ou polychromatique est le résultat de la superposition de lumières monochromatiques. La décomposition de la lumière produit un spectre. Chaque radiation monocromatique est caractérisée par sa longueur d onde, notée exprimée en mètre (ou en ses sous-multiples). Les valeurs des radiations visibles sont supérieures à 400 nm et inférieures à 800 nm (du violet au rouge). Les radiations infrarouges ont des longueurs d onde supérieures à 800 nm Les radiations ultraviolettes ont des longueurs d onde inférieures à 400 nm. Un prisme ou un réseau permettent la dispersion (décomposition) de la lumière. La lumière du laser est une lumière monochromatique. Réponse à la question du jour : Il y a d abord une différence entre «combien peut-on percevoir de couleurs dans un arc-en-ciel?» et «combien peut-on percevoir de couleurs dans un arc-en-ciel?». La lumière blanche se décompose entre toutes les nuances du spectre visible : il y a donc une infinité de longueurs d onde allant de 400 nm à 800 nm. En tenant compte des moindres variations de teintes, certaines expériences en ont pu en déceler 150. L œil humain en perçoit (c est une moyenne statistique) en général 5 voire 9 quand la lumière est bien dispersée. Cependant, cette notion reste floue car nous pouvons très bien en percevoir plus ou moins avec différentes nuances. Si vous posez la question à votre entourage, invariablement on vous répondra que dans le spectre solaire et dans l arc-en-ciel il y a sept couleurs Pourquoi? Newton, dans son traité Optique, avait au départ distingué 5 couleurs : «le spectre m apparut coloré de telle sorte que la partie la moins déviée était rouge ; la partie supérieure plus déviée était violette et l espace entre ces deux couleurs étant jaune, vert et bleu.» Mais plus tard, en essayant de trouver une correspondance entre les notes de musique et les couleurs dans le spectre, Newton a ajouté deux couleurs aux cinq initiales. Pour ce qui concerne l arc-en-ciel, on en distingue généralement trois : rouge, vert et violet. NOM : PRÉNOM : TEST DE LEÇON Pour chaque ligne, cocher la bonne réponse. 1. Les longueurs d ondes des radiations visibles sont comprises entre : 4. Quel système optique est utilisé pour disperser la lumière? 400 et 800 un prisme 400 et 800 une lentille convergente 400 et 800 une lentille divergente 2. Les longueurs d onde du rayonnement infrarouge sont : 5. Convertir 500 en : plus élevées que celles du rayonnement ultraviolet identiques à celles du rayonnement ultraviolet plus faibles que celles du rayonnement ultraviolet 3. Une lumière blanche est une lumière : 6. Un rayonnement monochromatique est caractérisé par : monochromatique polychromatique achromatique sa distance focale sa longueur d onde son intensité Lumières et couleurs (SL5) Cours 3-5

4 II. SYNTHÈSE ADDITIVE DES COULEURS Question du jour De quelle couleur un objet rouge nous apparaîtra-t-il à travers une verre vert? Et un objet bleu? Discussion : pourquoi perçoit-on un objet rouge en lumière blanche? Parce qu il absorbe toutes les autres longueurs d onde excepté le rouge. Activité 3 : TP Visiolab Ouvrir le logiciel Visiolab et sélectionner le menu «Synthèse trichromique additive». À l aide du logiciel, répondre aux questions suivantes. 1. Quelles sont les trois couleurs primaires? 2. Régler les spots de manière à obtenir une zone commune aux deux faisceaux. Compléter le tableauavec les mots : magenta, jaune et cyan. Spots Bleu + Rouge Bleu + Vert Vert + rouge Couleur obtenue 3. Quelles sont les trois couleurs complémenaires? 4. Qu obtient-on en superposant les trois couleurs primaires? 5. Utiliser deux couleurs complémentaires bleue et jaune et noter la couleur de la lumière obtenue. Déterminer ensuite les couleurs complémentaires du vert et du rouge. Spot Bleu Rouge Vert Spots superposés Jaune Couleur obtenue Blanc Blanc 6. Quitter le menu «Synthèse trichromique additive» puis sélectionner le menu «éclairage d une scène». Compléter le tableau suivant : Couleur de l éclairage Blanc Rouge Bleu Vert Jaune Magenta Cyan Couleur de l objet 1 Couleur de l objet 2 Couleur de l objet 3 Réponse à la question du jour Le filtre vert ne fait passer que les rayons verts et retient tous les autres. L objet rouge absorbe toutes les couleurs sauf la rouge qui nous est renvoyée. En regardant un objet rouge à travers un filtre vert, nous ne recevons aucun rayon de sa part car les seuls rayon émis par celui-ci sont arrêtés par le filtre vert. Ainsi l objet rouge apparaît noir. Il est donc évident qu il en sera de même pour l objet bleu Lumières et couleurs (SL5) Cours 4-5

5 La couleur d un objet dépend de la composition de la lumière qui l éclaire. Un objet noir ne diffuse aucun rayonnement visible, il les absorbe tous. La synthèse additive permet d obtenir toutes les couleurs par la superposition de radiations de différentes longueurs d ondes. Les radiations rouges, bleues et vertes sont appelées couleurs primaires. En superposant les lumières de ces couleurs primaires, on obtient les couleurs complémentaires : magenta, cyan et jaune. Complémentaire du rouge Complémentaire du bleu Complémentaire du vert Activité 4 : Exercices Exercice 1 Un rayon laser permet de découper précisément des matériaux souples. 1. Sachant que ce rayon laser a une longueur d onde, indiquer la couleur de celui-ci. 2. Calculer la fréquence de ce rayonnement sachant que. Exercice 2 La fermentation des déchets alimentaires ou végétaux en l absence d oxygène produit du méthane. Le méthane absorbe les radiations de longueur d onde. 1. Exprimer la longueur d onde absorbée en nanomètre. 2. Indiquer la couleur de cette radiation. Exercice 3 On donne les courbes de répartition spectrales de deux lampes et. Elles représentent le flux lumineux (en lumen) émis par une lampe en fonction de la longueur d onde en des radiations lumineuses dans l air. 1. Des deux lampes, indiquer celle qui émet une lumière monochromatique. 2. Une feuille paraît blanche lorsqu elle est éclairée en lumière blanche. En consultant l échelle des longueurs d onde, indiquer de quelle couleur apparaît la feuille lorsqu elle est éclairée par la lampe. 3. Une autre feuille paraît bleu lorsqu elle est éclairée en lumière blanche. Indiquer de quelle couleur apparaît la feuille lorsqu elle est éclairée par la lampe Lumières et couleurs (SL5) Cours 5-5