Lumière et couleur Nos yeux, une ouverture précieuse mais partielle sur le réel

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1 Sciences Lumière et couleur Nos yeux, une ouverture précieuse mais partielle sur le réel CFA du bâtiment Ermont 1

2 Quelques petites remarques, qui n ont l air de rien, mais qui ont beaucoup d importance Tout ce dont nous allons parler ici est très dépendant d un sens : la vue. Alors pensons au mot «lumière» pris dans son sens commun, de la vie de tous les jours Ce sont nos yeux qui nous indiquent la présence ou l absence de cette lumière, le plus souvent et le plus sûrement en tout cas. Ce sont encore nos yeux qui nous renseignent sur les couleurs de la matière qui nous entoure (et qui nous compose). Nos yeux sont une fenêtre sur le réel. Mais qu en est-il d un malvoyant? Ou d un daltonien? Et quand, en été par exemple, les yeux fermés, je sens des rayons du soleil sur ma peau, qu est-ce que cela peut m apprendre? Il semble qu il y ait beaucoup de question à se poser autour de la lumière, et même des lumières, autour des couleurs, et de leurs mélanges on s apercevra également qu une partie seulement du Réel est accessible directement par nos sens. 2

3 Faisons maintenant un peu de sciences et un peu d histoire Mettons-nous à la place d un illustre scientifique Anglais, au nom très connu : Isaac Newton. Nous allons partir d une observation simple et connue de tout le monde, mais qui à son époque, la fin du XVII e siècle, n avait pas été scientifiquement exploitée. Il s agit d observer les phénomènes d apparition de couleurs liés à la lumière, comme les levers et couchers du soleil, les arcs-en-ciel, etc. Il se trouve qu un prisme en verre permet facilement de faire apparaitre un tel phénomène coloré avec la lumière : un rayon lumineux de lumière solaire, dite lumière blanche, traverse le prisme en verre et ressort avec les couleurs d un arc en ciel (Illustration : ) 3

4 Isaac Newton s est servi de tels prismes pour faire de grandes découvertes concernant la lumière. Il fut le premier à comprendre que ce que nos yeux nous montrent comme une unique et simple lumière blanche n est pas la réalité. La réalité, c est que la lumière blanche est une lumière composée de rayons lumineux de différentes couleurs, qui ensemble, donnent la lumière blanche. Pour prouver cela, Isaac Newton réalisa quelques expériences simples mais très astucieuses et qui prouvaient sa théorie révolutionnaire. 4

5 Schémas de principe simplifié des expériences de Newton : Lumière décomposée Lumière blanche recomposée Lumière blanche Écran percé d un trou Lumière blanche Remarque : en réalité, pour réaliser cette expérience, on utilise un petit raffinement qui n apparait pas dans les schémas de principe ci-dessus : on utilise en effet une lentille focalisante sur le rayon lumineux entre les deux prismes de façon à limiter son éparpillement. Mais ça ne change rien au principe. 5

6 Le spectre visible : Si on est observateur, on voit que la lumière blanche décomposée donne toujours les mêmes couleurs, toujours dans le même ordre. Et ce sont les mêmes que celles des arcs-enciel! Cette palette de couleurs visibles par l œil humain porte un nom : le spectre visible. (Illustration Wikipedia) Remarque : comme le suggère l illustration ci-dessus, les couleurs du spectre visible pour l œil humain ne sont pas les seules qui existent. Simplement, nous ne voyons pas les autres. Par exemple, avant le rouge, il y a une «couleur» que nous appelons infra-rouge. Nos yeux ne la voient pas, mais les yeux du moustique, eux, y sont sensibles ce qui lui permet de nous repérer même dans le noir 6

7 La théorie de la couleur pour la lumière Pour la suite de ce dossier, c est à un autre illustre physicien Anglais que nous devons nos connaissances : Thomas Young. Il connait la théorie de Newton, et au début du XVIII è siècle, il fait une grande découverte : la théorique chromatique de la lumière. Derrière ces mots compliqués se cache une théorie très simple à comprendre et qui tient en une phrase : toutes les couleurs de la lumière visibles pour notre œil peuvent être obtenues par le mélange de 3 couleurs de base, qu on appelle couleurs primaires. On appelle cela la synthèse additive. (Illustration Wikipedia) Ce que l on voit et comprend du document ci-dessus, c est par exemple que si on mélange de la lumière rouge et de la lumière verte, on obtient de la lumière jaune. Ou que si on mélange des lumières rouge, verte et bleues, on obtient de la lumière blanche. Et que sans lumière, c est le noir. Le rouge, le bleu et le vert permettent, par addition, de recomposer toutes les autres couleurs. Ce sont des couleurs primaires. Remarque : le rouge, le bleu et le vert ne sont pas le seul système primaire, mais pour la lumière, c est celui qu on utilise le plus souvent. 7

8 Exercice : 1) Quelle couleur obtient-on quand on mélange de la lumière bleue et de la lumière verte? Bleue Cyan (l autre nom du turquoise) Vert Marron Magenta (Tendance rose) 2) Quelle couleur obtient-on quand on mélange de la lumière bleue et de la lumière rouge? Cyan (l autre nom du turquoise) Vert Jaune Magenta (Tendance rose) Remarque : il reste tout de même bien des couleurs à créer, plus subtiles que du simple jaune par exemple : Si autant de lumière rouge et de lumière verte parvient à votre œil, la couleur de l objet vous semblera jaune (1 sur le schéma ci-dessous). Si il y a un peu plus de rouge que de vert, la couleur perçue sera plus orange (2 sur le schéma ci-dessous). Si il y a un peu moins de rouge que de vert, la couleur perçue sera plus «citron vert» (3 sur le schéma ci-dessous)

9 La couleur des objets : La couleur pour un objet n'existe pas intrinsèquement. Pour dire les choses plus simplement, un objet n a pas de couleur à lui : ce qui va lui donner sa couleur dépend de la lumière avec lequel il est éclairé. Par exemple, prenons trois objets: un rouge, un vert et un bleu, à la lumière du soleil. De quelle couleur allons-nous voir ces objets dans le noir? Ou si on les éclaire avec de la lumière rouge? Ou de la lumière bleue, ou verte? Tentons de comprendre nos observations 9

10 Qu est-ce qui donne leur(s) couleur(s) aux objets quand on les éclaire? C est très simple, et on va le comprendre sur un exemple. Prenons un objet rouge (à la lumière du soleil). Pourquoi le voyons-nous rouge? Le soleil éclaire l objet avec de la lumière blanche. On peut décomposer cette lumière blanche en trois composantes : le rouge, le vert et le bleu. Si vous voyez cet objet de la couleur rouge, c est que de la lumière rouge parvient jusqu à votre œil. Cela veut dire que l objet rouge a absorbé la lumière verte et la lumière bleue, ne laissant rebondir que la lumière rouge. Voyons si vous avez bien compris 10

11 Exercice : 1) Un objet bleu à la lumière du soleil: absorbe la lumière rouge. absorbe la lumière verte. absorbe la lumière bleue. 2) Un objet vert à la lumière du soleil: absorbe la lumière rouge. absorbe la lumière verte. absorbe la lumière bleue. Remarque : connaissiez-vous l expression «La nuit, tous les chats sont gris»? 11

12 Et pour un objet jaune alors? Ou rose magenta, ou turquoise cyan!!! Attention, cela se complique un peu. Il va falloir être un peu plus regardant pour bien comprendre. Reprenons notre fil depuis le début, et regardons cela sur un exemple : un objet jaune. Nous voyons un objet jaune quand il laisse rebondir les couleurs de lumière qui fabriquent le jaune. Or, pour faire de la lumière jaune, il faut de la lumière rouge et de la lumière verte. On peut en déduire qu un objet jaune laisse rebondir la lumière rouge et la lumière verte. La lumière bleue est absorbée. Exercice : De quelle couleur voit-on un objet jaune si on l éclaire : a) Avec de la lumière rouge b) Avec de la lumière bleue c) Avec un mélange e lumière rouge et de lumière bleue d) Avec un mélange e lumière rouge et de lumière verte Exercice : a) Un objet de couleur magenta (un nom pour du rose): Absorbe la lumière rouge Renvoie la lumière rouge Absorbe la lumière verte Renvoie la lumière verte Absorbe la lumière bleue Renvoie la lumière bleue b) Un objet de couleur cyan (un nom pour du turquoise): Absorbe la lumière rouge Renvoie la lumière rouge Absorbe la lumière verte Renvoie la lumière verte Absorbe la lumière bleue Renvoie la lumière bleue 12

13 La théorie de la couleur pour les objets Quand on veut savoir quelle couleur on obtient en mélangeant deux couleurs différentes, par exemple en mélangeant deux peintures, on utilise cette fois la règle dite soustractive de la lumière. Comme le montre le document ci-dessous, on retrouve une sorte d inverse de la règle pour la lumière. Synthèse soustractive (Illustration Wikipedia) Ce que l on voit et comprend du document ci-dessus, c est par exemple que si on mélange de la peinture jaune et de la peinture cyan, on obtient de la peinture verte. Ou que si on mélange des peintures rouge, verte et bleue, on obtient de la peinture noire. Et que sans couleur, la peinture est blanche. Nous aurions pu trouver cela nous-mêmes mais il faut le reconnaitre : ça devient compliqué Mais nous allons tout de même le faire, sur un exemple 13

14 Prenons l exemple d une peinture cyan et d une peinture jaune mélangées en quantités égales : nous savons que nous obtenons une peinture verte. Mais pourquoi? Regardons ce qu il se passe : La peinture cyan laisse rebondir les lumières vertes et bleues mais elle absorbe la lumière rouge. La peinture jaune laisse rebondir les lumières vertes et rouges mais elle absorbe la lumière bleue. Quand on les mélange les deux peintures, qu est-ce qui rebondit? La lumière rouge est absorbée par la peinture de couleur cyan, la lumière bleue est absorbée par la peinture jaune, et seule rebondit la lumière verte! 14

15 Exercice : Retentons l expérience avec un mélange de peinture jaune et de peinture magenta. 1) D après la synthèse soustractive des couleurs, quelle couleur devrait avoir le mélange de nos 2 peintures? 2) D après la synthèse additive, voyons maintenant comment réagissent nos 2 peintures de base à la lumière : Pour la peinture jaune : La peinture jaune absorbe : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue La peinture jaune réfléchit : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue Pour la peinture magenta : La peinture magenta absorbe : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue La peinture magenta réfléchit : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue 3) On mélange les 2 peintures. Le mélange absorbe : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue Le mélange réfléchit : La lumière rouge La lumière verte La lumière bleue 4) Que pouvons-nous conclure? 15