IN SITU : ONDES ET VIBRATIONS 1 LUMIÈRE COLORÉE Réalisation : Pierre Bischoff, sous la direction de François Mangenot CNDP d Alsace, 1997 Durée : 04 min 07 s À l aide d expériences filmées et d animations simples et pertinentes, le film présente le phénomène de décomposition de la lumière blanche, montrant ainsi qu elle est constituée d une infinité de lumières colorées. Ceci permet d introduire la technique de la spectroscopie. Ensuite, le film décrit les rayons lumineux comme des ondes électromagnétiques, dont la longueur d onde, en simplifiant les explications, correspond à la couleur perçue. La description des cellules photosensibles de la rétine introduit à la synthèse additive, illustrée également par le principe de la télévision. La synthèse soustractive est elle illustrée par l absorption de filtres colorés. Ces notions doivent être approfondies par le professeur pour être comprises. [CNDP]
DISCIPLINES, CLASSES ET PROGRAMMES Physique, 5 e - 4 e : La lumière. Physique, 2 de : Messages de la lumière. Sciences de la vie, 1 re L: La représentation visuelle du monde. Physique, T le S: Propagation d une onde. OBJECTIFS DE LA SÉRIE La série «In Situ» est une encyclopédie audiovisuelle des sciences et techniques adaptée au niveau scolaire, composée de courts films à caractères pédagogiques sur des sujets divers et variés. Ces films utilisent des aspects de la vie quotidienne, des aspects industriels, des études scientifiques et historiques ainsi que des animations courtes et claires pour présenter un sujet précis. OBJECTIFS DU FILM Rappeler ou montrer la décomposition de la lumière naturelle. Définir l intérêt de la spectroscopie. Introduire la notion de longueur d onde d une vibration lumineuse. Faire le lien entre la valeur de la longueur d onde et la sensation de couleur perçue par l œil humain. Présenter la perception trichromatique des couleurs par l œil humain. Illustrer par quelques exemples les phénomènes de synthèse additive et soustractive. VOCABULAIRE REQUIS Lumière, vitesse(s) de propagation de la lumière, lumière blanche, décomposition, arc-en-ciel, spectroscope, spectre, irisations, sensation colorée, rétine, cône, synthèse additive (mélange de lumières), synthèse soustractive (mélange de matières), filtre, absorption, couleur des objets. VOCABULAIRE À EXPLIQUER Dispersion, réflexion, He (hélium), Hg (mercure), Br (brome), nanomètre, laser, cellule photosensible (rétine), luminophores (téléviseur). PRINCIPAUX THÈMES ABORDÉS La lumière naturelle, celle du Soleil, dite «blanche», peut être décomposée par des gouttes d eau ou par un prisme. L ensemble des couleurs obtenues est appelé spectre. Toutes les lumières, émises par différentes sources, n ont pas le même spectre. 2
La lumière est une onde électromagnétique. Sa longueur d onde est la longueur dont elle a progressé pendant la durée d une vibration. Une radiation monochromatique de longueur d onde donnée provoque une sensation de couleur bien précise. La rétine de l œil humain comporte des cônes sensibles surtout aux rouges, d autres aux verts, d autres encore aux bleus. Le tube de télévision utilise le principe de la synthèse additive. Les filtres colorés ou les pigments en peinture réalisent une synthèse soustractive. 3
DÉCOUPAGE DU FILM 00min 00s: Contexte. L arc-en-ciel expliqué en termes de dispersion et de réflexion de la lumière par les gouttes d eau. Le spectre de la lumière blanche réalisé à l'aide d'un prisme. Définition de la spectroscopie. 01min 46s: Explication. La lumière est une onde électro-magnétique. 02min 16s: Relation entre la sensation colorée produite par une lumière monochromatique et sa longueur d'onde. 02min 38s: Les trois types de cônes dans la rétine humaine. 03min 10s: Applications. La synthèse additive des couleurs en télévision. 03min 27s: L effet d un filtre : la synthèse soustractive. Explication de la couleur des objets. 4
SUGGESTIONS D EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE Rayons lumineux, spectre stellaire À utiliser en classe de 2 de L enseignant peut illustrer son cours sur les rayons lumineux ainsi que sur les systèmes dispersifs à l aide du document visuel. Il insistera sur le concept de longueur d onde associée à une lumière colorée. Il peut également s aider du document pour appuyer ses expériences de cours sur la décomposition de la lumière blanche. Il peut approfondir le document par une séance de travaux dirigés sur l étude d un spectre stellaire pour connaître la composition de l enveloppe de l étoile. Il insistera bien sur les différences et les conditions qui existent entre un spectre d absorption et un spectre d émission. Il établira la corrélation entre température et couleur des étoiles. Les couleurs À utiliser en classe de 1 re L Le document peut appuyer le cours sur la couleur des objets ainsi que sur la perception des couleurs par l œil. L enseignant peut illustrer une séance de travaux dirigés ou de travaux pratiques sur la synthèse additive et la synthèse soustractive (cf. Fiche élève). Le modèle ondulatoire À utiliser en classe de T le S L enseignant peut illustrer son cours sur le modèle ondulatoire de la lumière par le document visuel. L enseignant peut aussi rebondir, après visualisation du document, par une application visant à montrer l association couleurs, fréquences et longueurs d onde ainsi que l effet de la réfraction suivant les différentes longueurs d onde dans les milieux dispersifs. Pour les trois niveaux, 2 de, 1 re, T le L enseignant peut lancer une séance d information et de recherches (internet, CDI ) sur les différentes conceptions de la lumière et de la couleur. Les objectifs À utiliser en collège, cycle central Le visionnage de ce film peut venir à la suite de manipulations réalisées 5
par les élèves, destinées à montrer : que la couleur d'un objet dépend de l'objet et de la lumière qu'il reçoit ; que la lumière naturelle est composée d un ensemble de lumières colorées ; qu il est possible, par différents procédés, de mélanger de nouveau ces lumières colorées pour redonner de la lumière blanche ; que les mélanges de lumières donnent des résultats bien différents de ceux des mélanges de matières (pigments) ; qu un filtre absorbe certaines radiations. L indigo À utiliser en collège, cycle central Le film présente des notions nombreuses et complexes, surtout au niveau du collège. Le risque de simplification abusive a été réduit autant que possible ; toutefois, certains points méritent d être précisés : l indigo était à l origine un pigment bleu extrait d une plante, l indigotier : c était un beau bleu profond, assez foncé, peu stable à la lumière et ayant tendance à noircir. L indigo est maintenant préparé par synthèse et sa nuance est d ailleurs un peu différente selon les fabricants. Quoi qu il en soit, on peut constater que les élèves ne distinguent pas spontanément dans le spectre de la lumière naturelle un bleu foncé et un bleu plus clair : ce qu ils voient immédiatement, c est du bleu, du rouge et du vert ; avec un peu plus d attention, ils repèrent du jaune; enfin, en général plus difficilement, de l orangé; soit au total cinq couleurs. Newton, lui, voyait, (ou voulait voir) sept couleurs, en concordance avec les sept notes de la gamme de musique. Mais en définitive, le spectre de la lumière naturelle est continu : c est un dégradé. Radiation chromatique et perception colorée À utiliser en collège, cycle central Il est judicieux, comme le fait le film, d établir une correspondance entre une radiation monochromatique de longueur d onde donnée et une perception colorée précise. Toutefois, il faut souligner qu inversement, si une sensation colorée donnée est produite par une radiation monochromatique précise, elle peut l être aussi par différents mélanges polychromatiques (phénomène de métamérisme). Par ailleurs, certaines perceptions colorées (le marron, par exemple) ne correspondent à aucune radiation monochromatique. Enfin, il est utile 6
de préciser (même si cela est implicite) que l on parle ici de la vision humaine : la correspondance entre longueur d onde et perception est bien différente selon l espèce animale. Les cônes À utiliser en collège, cycle central Le film indique que les trois types de cônes sont sensibles respectivement surtout aux rouges, aux bleus et aux verts. Cette formulation est très simplificatrice: chaque type de cône a, en fait, une assez large bande de sensibilité spectrale et les maxima de ces bandes sont situés respectivement à 420 nm (violet), 530 nm (vert) et 560 nm (jaune). La phrase qui se situe à la fin de la partie Explication (À partir de ces trois couleurs primaires et par synthèse additive, l œil perçoit toutes les couleurs du spectre visible, la somme des trois couleurs primaires donnant du blanc.) pourrait laisser croire que la perception humaine des couleurs relève de la simple synthèse additive : la réalité est bien plus complexe, le cerveau générant en fait la sensation colorée par une comparaison très subtile des stimuli envoyés par les trois types de cônes. Les synthèses additive et soustractive À utiliser en collège, cycle central En synthèse additive, les radiations monochromatiques primaires (au sens qu aucun mélange de deux d entre elles ne peut donner la sensation lumineuse de la troisième) sont usuellement choisies dans le rouge, dans le bleu et dans le vert (d autres choix seraient parfaitement possibles); il faut souligner que le mélange additif des trois couleurs primaires ne donne du blanc que si les intensités lumineuses des trois faisceaux sont correctement dosées. En synthèse soustractive (peinture, par exemple), les couleurs primaires sont des pigments jaune, rouge magenta et bleu cyan (auquel il faut ajouter des pigments blanc et noir). Les filtres usuels ne sont pas monochromatiques. De même, un objet qui nous paraît rouge ne renvoie généralement pas que des radiations rouges. L expression synthèse soustractive peut paraître quelque peu paradoxale, le mot «synthèse» signifiant en grec «action de mettre ensemble». Dans ce contexte il faut, en fait, comprendre ce mot au sens de «création» : en enlevant telle ou telle radiation à la lumière blanche, on fait naître telle ou telle sensation colorée. 7
FICHE ÉLÈVE COLLÈGE Répondre aux questions au cours du visionnage : 1. Quel est l objet en verre, présenté dans le film, qui provoque une décomposition de la lumière blanche? Dessine sa forme. Le spectre de la lumière 2. Comment appelle-t-on la longueur dont a progressé une onde lumineuse pendant la durée d une de ses vibrations? 3. Quelle est la sensation colorée correspondant à une radiation de longueur d onde 400 nanomètres? Quelle est la sensation colorée correspondant à une radiation de longueur d onde 800 nanomètres? 4. Quelles sont les couleurs dominantes auxquelles sont sensibles les trois types de cônes de la rétine humaine? 5. Cite une application de la synthèse additive des couleurs. 8
FICHE ÉLÈVE LYCÉE Activité-cours, séance expérimentale sur la couleur, classe de 1 re L Objectif : Permettre aux élèves de manipuler les lumières et couleurs afin d en tirer les connaissances sur la composition de la lumière blanche et la synthèse des couleurs. La lumière blanche Par l intermédiaire d un prisme ou d un réseau, par exemple, la lumière blanche... On dit qu elle subit une... Cet ensemble continu de couleurs constitue... Par cette expérience, on montre que la lumière blanche est composée d une multitude de couleurs allant du violet au rouge: chaque couleur correspond à une... Spectre de la lumière blanche Rouge Lumière visible Les longueurs d onde de la lumière du visible sont comprises entre... Remarque : La dispersion de la lumière peut être réalisée par un disque, des gouttes d eau (arc-en-ciel) La lumière blanche peut être... 9
La couleur des objets Synthèse additive Lorsque l on superpose les trois lumières colorées (rouge, bleue et verte) de même intensité lumineuse, on obtient... Synthèse soustractive Expérience 1: On place un filtre coloré devant la source de lumière et on utilise le même montage que celui utilisé pour le phénomène de dispersion... Expérience 2 : Un spectre de lumière traverse, par exemple, du sirop de menthe. Il ne ressemble alors plus à celui de la lumière blanche,... Le sirop de menthe a... 10
INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES Thierry de Freiberg (1240-1318) reproduit le phénomène d arc-enciel en utilisant des fioles sphériques pour simuler des gouttes d eau. Il en conclut, fort justement, que les couleurs apparaissent à la suite d une réfraction de la lumière à l entrée de la goutte, suivie d une réflexion au fond de la goutte et d une seconde réfraction à la sortie de la goutte. Il observe que les différentes couleurs correspondent à des angles de réfraction différents. Mais, à l époque, les couleurs sont expliquées par une théorie de «l affaiblissement» plus ou moins grand de la lumière blanche: le rouge et le jaune, couleurs de la flamme, sont les moins affaiblies, puis viennent dans l'ordre, le vert, le bleu, le violet ; dans un prisme ou dans une goutte d eau, plus l'épaisseur traversée est grande, plus la lumière est affaiblie. Isaac Newton (1642-1727) fait à son tour de nombreuses observations avec des prismes. Expérience décisive, il réussit, au moyen d un second prisme, à reformer de la lumière blanche ; il y parvient également au moyen d'un disque tournant formé de secteurs de couleurs diverses. Et Newton donne une explication totalement nouvelle à l apparition des couleurs : la lumière «blanche» est déjà un mélange de lumières de toutes les couleurs et le prisme ou la goutte d eau ne font que les dévier différemment. LIVRET RÉDIGÉ PAR JEAN JANDALY ET YANN MELKI SCÉRÉN-CNDP, 2006