Première S Physique Date :.. Chapitre 2 Ŕ Couleur des objets et des solutions. Thème 1 - Observer Prérequis : Objectifs : _ savoir énumérer dans l ordre les 7 couleurs (longueurs d onde) de l arc-en-ciel. _ savoir que pour être visible la lumière d un objet doit atteindre notre œil avec une intensité suffisante. _ savoir que l œil n est sensible qu à certaines longueurs d ondes. _ savoir énumérer les couleurs primaires détectables par l œil. _ savoir énumérer les couleurs fondamentales. _ savoir expliciter la synthèse additive et soustractive des couleurs. I. Lumière Ŕ Œil Ŕ Photorécepteurs. 1. Les couleurs accessibles à nos yeux : spectre de la lumière blanche. La lumière blanche contient toute les radiations visibles dont les couleurs s'étendent du rouge (λ r = 800nm) au violet (λ v = 400nm). Donnez, dans l ordre décroissant des longueurs d ondes, les couleurs de l'arc en ciel : Les couleurs, visibles par l œil humain, dans l ordre décroissant des longueurs d ondes sont rouge, orange, jaune, vert, cyan, bleu, violet. N.B. : en-deçà du domaine visible se trouvent les infrarouges (I.R.) et au-delà du domaine visible se trouvent les ultra-violets (U.V. A puis B). 2. Les photorécepteurs de l œil. Les cellules réceptrices (cônes ~ 10M pour la vision des couleurs, et bâtonnets ~ 120M pour la vision de nuit) de la rétine de l œil absorbent la lumière incidente et mettent environ 0,1s pour revenir à leur état initial : c est le temps de latence. Chaque cône de la rétine réagit à une couleur qui lui est propre : Les lodopsines (protéines photoréceptives) absorbent autour d une couleur spécifique. Précisez les couleurs et les longueurs d ondes associées à chaque molécule réceptive. o Les lodopsine (S) absorbent (détectent) dans le bleu (λ b 430 nm), le violet (λ vi 400 nm) et le cyan (λ c 470 nm). o Les lodopsine (M) absorbent (détectent) dans le vert (λ ve 520 nm), le cyan (λ c 470 nm) et le jaune (λ j 570 nm). o Les lodopsine (L) absorbent (détectent) dans le rouge (λ r 700 nm), jaune (λ j 570 nm) et vert (λ ve 520 nm). La couleur d un objet est une interprétation par le cerveau, des stimuli envoyés par l ensemble des photorécepteurs de l œil. C est la somme des contributions de chaque couleur primaire (rouge, vert, bleu) qui va déterminer la couleur de l objet. 1
II. Couleur d un objet ou d une solution. 1. Comportement de la lumière à une interface. Lors d un changement de milieu, une onde incidente peut-être réfléchie, diffusée, transmise ou absorbée. La diffusion est un phénomène optique par lequel un objet éclairé renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière incidente. La réflexion est un phénomène optique par lequel un objet éclairé renvoie dans une direction privilégiée une partie de la lumière incidente. La transmission est un phénomène optique par lequel un objet éclairé est traversé par une partie de la lumière incidente. L absorption est un phénomène optique par lequel un objet éclairé absorbe une partie de la lumière incidente et s échauffe. 2. Synthèse de additive des couleurs - Applications. a) Synthèse additive. Des couleurs sont complémentaires si leur superposition par projection donne du blanc. (bleu + vert + rouge) Synthèse additive : couleurs primaires RVB - Cf. Annexe Vert Cyan Bleu Jaune Magenta Rouge La superposition par projection de 2 couleurs primaires génère une couleur secondaire. (jaune, cyan ou magenta) b) Applications. o Projection d un film sur un écran blanc Ŕ Principe du vidéoprojecteur. La couleur apparente d un écran de projection dépend de la lumière qui l éclaire : En lumière blanche, l écran, prévu pour renvoyer/diffuser toutes les couleurs du spectre lumineux, paraît blanc. En lumière jaune, l écran, qui renvoi/diffuse ici le rouge et le vert, parait jaune. Les couleurs sont respectées d autant plus fidèlement que l écran absorbe peu et diffuse efficacement toutes les lumières incidentes. 2
Principe du vidéoprojecteur : Un vidéoprojecteur crée électroniquement (sur écran LCD, sur des micromiroirs ou par lasers), un objet lumineux à projeter. Le schéma, ci-contre, montre la décomposition de la lumière blanche de la lampe de projection par les miroirs dichroïques : chaque couleur passe à travers un écran LCD qui lui est propre où s affiche une partie de l image à projeter, qui filtre une partie des rayons lumineux. Les faisceaux sont recombinés en sortie pour se superposer et former l image définitive couleur. o Affichage d un film par un écran LCD ou plasma. Les écrans LCD (Liquid Cristal Display Ecran à Cristaux Liquides) ou plasma utilisent tout deux des cellules (pixel RVB) contenant 3 sous-pixels pouvant émettre chacun une couleur primaire spécifique. Perçus des loin, les 3 sous-pixels se confondent et les 3 couleurs primaires se superposent avec des intensités variables en fonction de la couleur définitive désirée. Les sous-pixels LCD : Une lumière polarisée -Onde Electromagnétique (OEM) dont le champ électrique ( ) [V.m -1 ] est orienté- traverse une épaisseur de cristaux liquides qui possède un pouvoir rotatoire -ou activité optique- (α) [rad] sur la lumière : o En l absence d une tension électrique, l orientation en hélice des cristaux liquides modifie la polarisation de la lumière, qui est transmise par le second filtre polarisant. Le sous-pixel est lumineux. (cf. sous-pixel rouge sur le schéma) o En présence d une forte tension électrique, l orientation des cristaux liquides change (ils s alignent selon le champ électrique) et ne modifie pas la polarisation de la lumière, qui est arrêtée par le second filtre polarisant. Le sous-pixel est noir. (cf. sous-pixel bleu sur le schéma) o En présence d une faible tension électrique, l orientation des cristaux liquides change légèrement et modifie légèrement la polarisation de la lumière, qui est transmise en partie par le second filtre polarisant. Le sous-pixel est faiblement lumineux. (cf. sous-pixel vert sur le schéma) Précisions sur le pouvoir rotatoire (α) [rad] ou [ ] d un système chimique : Les molécules chirales (ni plan et ni centre de symétrie) sont optiquement actives. Exemples : saccharose, glucose, menthol, quartz, Certaines de ces molécules, dissoutes dans un solvant inactif optiquement et chimiquement, (eau, alcool, ) confère à la solution un pouvoir rotatoire spécifique (α s ) sur la lumière qui le traverse. Loi de Biot (1812) donnant le pouvoir rotatoire (α) : α = α s.l.c [ ] ; avec (l) [cm] la longueur de la solution traversée, (c) [mol.l -1 ] la concentration de la solution en espèce chimique optiquement active, et (α s ) [.cm -1.L.mol -1 ] le pouvoir rotatoire spécifique qui est fonction de l espèce chimique active et de la longueur d onde du rayonnement. Les sous-pixels plasma : Une décharge électrique produit des rayons U.V. qui vont exciter les niveaux d énergie d un matériau phosphorescent. Celui-ci va émettre un rayonnement visible en se désexcitant. L intensité des couleurs de chaque sous-pixel dépend de la puissance de la décharge initiale. 3
3. Synthèse de soustractive des couleurs - Applications. a) Synthèse soustractive. Synthèse soustractive : couleurs fondamentales JCM - Cf. Annexe Rouge Magenta Jaune Bleu Vert La superposition par mélange de 2 couleurs fondamentales génère une couleur primaire (rouge, vert ou bleu) b) Applications. Cyan o Couleur d un projecteur de lumière. Les projecteurs se composent d une ampoule, d un réflecteur, et d un filtre coloré. Indiquez le rôle de chacun des composants précédent. L ampoule émet une lumière aussi blanche que possible. Les 3 couleurs primaires (RVB) sont émises. Le réflecteur donne une direction générale à la lumière et crée un faisceau. Le filtre coloré absorbe une couleur spécifique (il s échauffe) et laisse passer la couleur complémentaire. o Couleur d une peinture en fonction de l éclairage. Les couleurs perçus dépendent de l éclairage utilisé : o Couleur de solutions. Une solution est colorée si elle absorbe au moins une couleur du visible. Si la solution n absorbe aucune couleur du visible, elle peut alors présenter 2 aspects (blanche ou transparente) : o La solution est blanche : elle diffuse toutes les longueurs d ondes. o La solution est transparente : elle transmet toutes les longueurs d ondes. Si la solution absorbe plus d une couleur visible, elle peut alors présenter 7 aspects (noir, rouge, vert, bleu, jaune, cyan, magenta) : o La solution est noire si elle absorbe toutes les longueurs d onde visibles. Une solution colorée diffuse les couleurs qu elle n a pas absorbées. Montage pour l obtention de spectres d absorption : Lampe à incandescence. Lumière blanche. Fente Lentille convergente Prisme à vision directe Solution colorée Ecran blanc 4
Analyse de spectres de solutions colorées : o La solution diffuse du jaune (rouge + vert) si elle absorbe le bleu. o La solution diffuse du cyan (vert + bleu) si elle absorbe le rouge. o La solution diffuse du magenta (rouge + bleu) si elle absorbe le vert. o La solution diffuse du rouge si elle absorbe le cyan (vert + bleu). o La solution diffuse du vert si elle absorbe le magenta (rouge + bleu). o La solution diffuse du bleu si elle absorbe le jaune (rouge + vert). Précisions sur l absorbance (A) [-] d une solution colorée : L absorbance (A) [-] d une solution est proportionnelle à la longueur (l) [cm] traversée et à la concentration (c) [mol.l -1 ] de l espèce chimique colorée. Une solution colorée paraitra d autant plus sombre que la concentration, en colorants ou en tanins, est élevée et que la longueur de solution que la lumière doit traversée est grande. Loi de Beer-Lambert : [-] ; s applique pour les concentrations inférieures à 2 mol.l -1. Le coefficient de proportionnalité, qui détermine le spectre d absorbance de l espèce chimique, est le coefficient d extinction molaire ε(λ) [L.mol -1.cm -1 ]. Celui-ci dépend directement de la longueur d onde et de la nature de la solution étudiée : Vases à symétrie cylindrique de concentrations (c 1) et (c 2) avec c 1< c 2 :. Précisez les couleurs et les longueurs d ondes diffusées par chaque solution ci-dessous. Une solution de sulfate de cuivre absorbe le rouge. Une solution de (Cu 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) ) absorbe le rouge. Le vert (λ ve 520 nm) et le bleu (λ b 430 nm) sont diffusés, sa couleur est donc cyan (λ c 470 nm). L ion cuivre est pentahydraté et forme un complexe qui donne sa couleur à la solution. Une solution de permanganate de potassium absorbe une grande partie du vert. Une solution de (K + (aq) + MnO 4 - (aq) ) absorbe le vert. Le rouge (λ r 750 nm) et le bleu (λ b 430 nm) sont diffusés, sa couleur est donc magenta (λ m Indefini). Une solution de sulfate de nickel absorbe le rouge et le bleu. Une solution de (Ni 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) ) absorbe le rouge et le bleu. Le vert (λ ve 520 nm) est diffusé, sa couleur est donc verte. L ion nickel est heptahydraté et forme un complexe qui donne sa couleur à la solution. 5
o Couleur d objets. Déterminez la couleur apparente de l objet éclairé. On éclaire de la peinture magenta avec de la lumière bleue : L objet absorbe le vert, et renvoie le rouge et le bleu, ici seul le bleu est renvoyé, l objet parait bleu. On éclaire un mélange de peinture magenta et jaune avec de la lumière blanche : L objet absorbe le vert et le bleu ; et renvoie le rouge, l objet parait rouge. On éclaire un mélange de peinture cyan et jaune avec de la lumière rouge : L objet absorbe le rouge et le bleu, et renvoie le vert, l objet parait noir. Les couleurs bleu-jaunâtre et vert-rougeâtre ne peuvent être perçus : http://prn1.univ-lemans.fr/prn1/siteheberge/publiscours-opi/opi_fr_m07_c02/co/contenu_03.html On peut tenter de décrire la vision des couleurs en faisant une analogie avec le traitement du signal ou de l'information. On considère ainsi que l'information couleur est structurée en 3 canaux (figure 5). 1. Le canal bleu-jaune qui fournit une réponse antagoniste opposant les cônes S et la réponse additive issue des cônes M et L. 2. Le canal vert-rouge qui fournit une réponse antagoniste opposant les cônes L et les cônes M. 3. Le canal achromatique qui fournit une réponse additive issue de la sollicitation des cônes M et L représentant une information sur le niveau d'éclairement indépendamment de la composition spectrale du rayonnement reçu. Figure 5 : Schéma de principe des processus rétiniens de vision des couleurs. L'analogie proposée ici ne décrit pas la réalité des processus physiologiques à la base de la perception des couleurs mais présente un schéma simplifié du résultat de ces processus. En particulier la notion de canal est sans doute trop schématique. Le traitement de l'information colorée est donc actuellement décrit par la théorie du codage antagoniste basée sur des résultats expérimentaux 6
Synthèse additive : couleurs primaires Synthèse soustractive : couleurs fondamentales 7