CAPSULE THÉORIQUE ET PRATIQUE «À propos de la lumière» (Ce document s adresse à des adultes.) LE PÉRISCOPE Novembre 2009 Périscope
Le présent document contient de l information sur la lumière et sur certains sujets qui s y rattachent. Il contient également des suggestions pour introduire des notions de base sur la lumière et ses propriétés. 1) Les sources lumineuses Les sources primaires fabriquent la lumière qu elles envoient. Exemples : Le Soleil, les étoiles, les ampoules, les tubes fluorescents, les lucioles, etc. Les sources secondaires ne font que renvoyer la lumière produite par une source primaire. Exemples : Un tableau, une planète, une plante, une maison et tous les objets que nous percevons. 2) La transformation de la lumière 5 6 1 4 2 3 Légende : 1. La pupille 2. La rétine 3. Le nerf optique 4. L iris 5. La cornée 6. Le cristallin Coupe de d oeil L œil est un récepteur de lumière relié au cerveau par le nerf optique. C est le cerveau qui interprète l information et la transforme en images. La lumière qui provient de sources primaires ou secondaires (n importe quel objet) traverse la cornée (membrane transparente) et pénètre l œil par la pupille. Son ouverture est plus ou moins grande de façon à laisser pénétrer plus ou moins de lumière. Si l environnement est sombre, l ouverture sera plus grande pour permettre à un maximum de lumière d entrer. 2
La lumière traverse le cristallin, une lentille biologique qui assure la clarté de l image au fond de l œil. L image se forme sur la rétine, au fond de l œil. C est en quelque sorte un écran tapissé de cellules réceptrices, les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets sont sensibles à la luminosité (noir et blanc) et les cônes le sont aux couleurs. La rétine agit comme un numériseur et transforme l image en influx nerveux. L image est ensuite transmise au cerveau par le nerf optique. Le cerveau l interprète, ce qui nous permet de voir. 3) La composition et le déplacement de la lumière Il est difficile de définir la lumière de façon simple. On dit qu elle a une double nature. Elle est formée de particules d énergie dépourvues de masse : les photons. On dit également que la lumière est une onde électromagnétique qui se déplace dans le vide et dans la matière comme l air, l eau et le verre. La lumière se déplace en ligne droite dans toutes les directions autour de cette ligne. Voici une façon simple de le démontrer. oeil 1) On place une source lumineuse, une chandelle ou une petite ampoule, en avant de la classe. 2) Chaque élève fixe trois aiguilles dans trois socles de plasticine de façon à cacher la source lumineuse de sa vue. Chacune et chacun devra se baisser au niveau de son pupitre. 3) Dans cette série de trois, chaque aiguille cache la précédente. 4) Chaque élève note que peu importe le point de vue initial de la source lumineuse, leurs trois aiguilles seront disposées en ligne droite. (Voir le schéma de la page suivante.) Conclusion : La lumière voyage en ligne droite dans un milieu homogène. 3
Vue de dessus Aiguilles Source lumineuse 4) La réflexion de la lumière Loi de Snell-Descartes sur la réflexion Le rayon lumineux est dit incident avant qu il ne rencontre la surface réfléchissante; il est dit réfléchi, après. Le point de rencontre du rayon incident et de la surface réfléchissante est appelé point d'incidence. La droite perpendiculaire à la surface réfléchissante au point d'incidence est appelée normale (à la surface réfléchissante). L'angle orienté θ 1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence. L'angle orienté θ 2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfléchi est dit angle de réflexion. Lois sur la réflexion Première loi sur la réflexion Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale se situent dans un même plan. 4
Deuxième loi sur la réflexion L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. θ 2 = - θ 1 Schéma de principe de la loi sur la réflexion : les faisceaux incidents et réfléchis forment, avec la normale, deux angles de même mesure dans des directions opposées. Texte et schéma tirés de Wikipédia http://fr.wikipedia.org/wiki/lois_de_snell-descartes Un objet éclairé (source primaire ou secondaire) peut être vu parce que la lumière qui s en dégage se propage et est réfléchie par le miroir. On perçoit une image symétrique de l objet. En optique, on qualifie cette image de «virtuelle». L angle du rayon réfléchi sur le miroir est égal à celui du rayon qui arrive sur ce miroir. 5) La réfraction de la lumière Qu arrive-t-il si la trajectoire de la lumière (l objet) change de milieu? La trajectoire est toujours une ligne droite, mais on note un changement de direction d un milieu à l autre. On parle alors de RÉFRACTION de la lumière. C est le phénomène qui se produit lorsqu un bâton nous semble tordu dans l eau. Informations complémentaires sur le site LA LUMIÈRE : RÉFLEXION ET RÉFRACTION, à l adresse : http://salledessciences.crihan.fr/index.php?option=com_content&task=view&id=23&itemid=61 5
6) Autres démonstrations possibles a) Le pointeur laser et la craie de tableau Normalement, le pointeur laser ne produit qu un point lumineux sur la surface pointée. Pour voir la trajectoire de la lumière, il suffit de frapper sur le tableau avec une brosse et de diriger le pointeur vers le nuage de poussière. Une ligne lumineuse apparaît alors. Comme la lumière du pointeur frappe les particules de craie, ces dernières réfléchissent la lumière, ce qui permet de voir le faisceau. b) La boîte à faisceaux Si votre école dispose d un ensemble de prismes et d une boîte à faisceaux, il pourrait être intéressant de montrer aux élèves la trajectoire de la lumière à travers les différentes formes de prismes. Quelques démonstrations vidéo sont disponibles à l adresse Internet suivante : LASER RAY BOX http://www.youtube.com/watch?v=pou0spd3pme c) Le tour de l illusionniste Ce petit truc vous est expliqué à l adresse suivante. MIROIR : Réflexion de la lumière sur une surface plane http://www.proftnj.com/opt-miro.htm d) La réfraction de la lumière Il s agit de prendre un contenant de type moule à gâteau rectangulaire, d y mettre une pièce de monnaie et de demander à un élève de reculer jusqu à ce qu il ne voie plus la pièce. Versez alors de l eau dans le contenant et demandez à l élève si la pièce de monnaie apparaît. Réfraction de la lumière et du bâton cassé (explication du phénomène) http://www.youtube.com/watch?v=fme-mgb1ywy 6
WEBOGRAPHIE COMMISSARIAT À l ÉNERGIE ATOMIQUE. Différentes animations en science, voir celle sur la lumière dans la section physique-chimie http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations CURIOSPHERE.TV. Quelques propriétés de la lumière (sources lumineuses réfraction - diffraction) http://www.curiosphere.tv/minte/minte10979/page_10979_71573.cfm OFFICE NATIONAL DU FILM (Cliquez sur le miroir du labo du prof XYZ) http://www.onfjeunesse.ca/lamission/html/fr/labo_fla.php UNIVERSITÉ DE NANTES. Formation d un arc-en-ciel (animation flash), http://www.sciences.univnantes.fr/physique/perso/gtulloue/optiquegeo/arc_en_ciel/arc_en_ciel.html 7