OPTIQUE 2 La couleur des objets ACTIVITES Activité 1 : Comprendre l origine de la couleur des objets Expérience A : Éclairer des écrans en lumière blanche Réponses aux questions 1. Le seul écran qui diffuse de la lumière blanche est l écran blanc, car la feuille apparaît blanche. 2. Les écrans qui diffusent de la lumière colorée sont les écrans jaune, rouge, vert et bleu, car la feuille apparaît respectivement de ces couleurs. 3. Les écrans qui ne diffusent aucune lumière sont les écrans noir et transparent, car la feuille apparaît noire. 4. L écran blanc diffuse les trois lumières primaires, qui par synthèse additive reconstituent la lumière blanche. L écran rouge (respectivement bleu, vert) diffuse la lumière rouge (respectivement bleue, verte). L écran jaune diffuse la lumière rouge et la lumière verte, qui reconstituent la lumière jaune par synthèse additive. Les écrans noir et transparent ne diffusent aucune lumière primaire. 5. L écran blanc a la couleur blanche car il diffuse les trois lumières primaires, qui par synthèse additive reconstituent la lumière blanche pour notre œil. L écran rouge (respectivement bleu, vert) a la couleur rouge (respectivement bleue, verte) car il diffuse la lumière rouge (respectivement bleue, verte) et absorbe toutes les autres lumières colorées du spectre de la lumière blanche. L écran jaune a la couleur jaune car il diffuse la lumière jaune, mais aussi les lumières rouge et verte qui reconstituent la lumière jaune par synthèse additive. L écran noir a la couleur noire car il absorbe toutes les lumières colorées du spectre de la lumière blanche et n en diffuse aucune. L écran transparent ne diffuse pas la lumière, il est traversé par la lumière car il n est pas opaque. C est pour cela que l on voit les objets placés derrière lui. Investigation B : Éclairer un objet noir et blanc Propose une hypothèse Pour obtenir un zèbre noir et rouge, les élèves peuvent formuler différentes hypothèses, par exemple : colorier le zèbre avec des crayons de couleurs ; éclairer le zèbre avec une lumière colorée (il faut prévoir comment les obtenir et préciser la couleur de la lumière). Pour voir le zèbre que pense obtenir l élève, il peut être intéressant de leur demander de représenter un zèbre noir et blanc, puis un zèbre noir et rouge. Réalise une expérience Les élèves doivent dresser la liste du matériel en fonction de leur hypothèse. La liste du matériel pour obtenir un zèbre noir et rouge est : une source de lumière blanche avec son alimentation, un filtre rouge, un écran blanc, un écran noir, une feuille blanche et la photo du zèbre pour voir le résultat final. Conclus Si on éclaire avec une lumière rouge un écran blanc, il apparaît rouge car il diffuse toutes les lumières qu il reçoit, donc ici seulement de la lumière rouge. Si on éclaire un écran noir en lumière rouge, il apparaît noir car il absorbe toutes les lumières colorées. Optique 2 Corrigés 1
Pour obtenir un zèbre noir et rouge à partir d un zèbre noir et blanc, il faut l éclairer en lumière rouge : les rayures blanches apparaîtront rouges et les rayures noires apparaîtront noires. Investigation C : Éclairer des objets colorés Propose une hypothèse À partir de la BD, les élèves peuvent formuler différentes hypothèses : les élèves attribuent simplement aux vêtements les couleurs citées dans la BD ; les élèves proposent d autres couleurs pour les vêtements car ils ont remarqué que l éclairage était différent dans les trois témoignages. Réalise une expérience Le montage est similaire à celui de l activité 1, expérience A. Les élèves doivent dresser la liste du matériel en fonction de leur hypothèse. La liste du matériel est : une source de lumière blanche avec son alimentation, un filtre rouge, un écran jaune, un écran noir, un écran rouge, un écran bleu et une feuille blanche. Conclus Si on éclaire avec une lumière blanche un écran bleu, il apparaît bleu car il diffuse la lumière bleue (contenue dans le spectre de la lumière blanche) et absorbe toutes les autres. Si on éclaire avec une lumière blanche un écran rouge, il apparaît rouge car il diffuse la lumière rouge et absorbe toutes les autres. Si on éclaire un écran noir en lumière blanche, il apparaît noir car il absorbe toutes les lumières colorées. Si on éclaire un écran jaune en lumière blanche, il apparaît jaune car il diffuse la lumière jaune, mais aussi les lumières rouges et vertes qui reconstituent par synthèse additive la lumière jaune. Si on éclaire avec une lumière rouge un écran bleu, il apparaît noir car il ne peut diffuser que la lumière bleue et absorbe toutes les autres lumières colorées. Si on éclaire avec une lumière rouge un écran rouge, il apparaît rouge car il peut diffuser la lumière rouge. Si on éclaire un écran noir en lumière rouge, il apparaît noir car il absorbe toutes les lumières colorées. Si on éclaire un écran jaune en lumière rouge, il apparaît rouge car il peut diffuser la lumière rouge. Si on n éclaire pas les écrans, ils apparaissent tous noirs car ils ne diffusent aucune lumière. Les trois témoins peuvent décrire le même suspect, car la couleur des vêtements est modifiée par les conditions d éclairage : le premier a vu le suspect éclairé en lumière rouge, le deuxième sans éclairage et le troisième en lumière blanche. On retrouve les «vraies» couleurs en partant de la description du troisième témoin, car elle a vu les couleurs des vêtements en lumière blanche : - la cagoule, de couleur jaune, apparaît rouge quand elle est éclairée en lumière rouge et noir en l absence d éclairage ; le haut, de couleur rouge, apparaît rouge lorsqu il est éclairé en lumière rouge, et noir en l absence d éclairage ; le pantalon, de couleur bleue, apparaît noir en lumière rouge ou sans éclairage. Vers le bilan... La couleur d un objet dépend de sa couleur lorsqu il est éclairé en lumière blanche et de la couleur de la lumière qui l éclaire. Activité 2 : Comprendre la vision des couleurs Document Réponses aux questions 1. L information provient de la source sous forme d un faisceau de lumière qui se dirige vers notre œil, puis traverse l œil jusqu à la rétine. Arrivé sur la rétine, le faisceau est détecté par des photorécepteurs et converti en message nerveux. Ce message est acheminé vers le cerveau par le nerf optique. 2. Les deux types de photorécepteurs sont complémentaires car ils ne sont pas sensibles à la même information. Les bâtonnets sont sensibles à l intensité lumineuse alors que les cônes sont sensibles aux couleurs de la lumière. 3. Lorsqu on regarde un citron de couleur jaune, ce sont les cônes sensibles aux lumières rouge et verte qui sont excités car ils reconstituent alors la lumière jaune par synthèse additive. Optique 2 Corrigés 2
4. Les deux vignettes ne comportent pas le même nombre et elles ne sont pas faites avec les mêmes couleurs : la première vignette (nombre 12) est composée d un fond bleu-vert uniforme avec le nombre en orange uniforme, alors que la deuxième (nombre 74 ou 21) est composée d un fond rouge et orange avec un nombre en vert plus ou moins foncé, ce qui explique pourquoi elle est lue différemment par une personne souffrant de daltonisme (elle verra le contraste entre clair et foncé et non entre vert et rouge). 5. Le rouge qui semble le plus foncé est celui placé sur un fond bleu. Pour prouver qu ils sont identiques, il faut utiliser un cache percé d un trou faisant environ la taille des cercles rouges, ce qui permettra de supprimer l environnement coloré. 6. Le nombre de couleurs primaires est le nombre de types de cônes différents. L œil humain possède trois types de cônes, chacun étant sensible à l une des trois lumières colorées rouge, verte ou bleue. Il reconstitue toutes les lumières colorées par synthèse additive à partir de ces trois lumières : c est pourquoi elles constituent trois lumières primaires. (Pour des animaux ayant quatre types de cônes, il y a quatre couleurs primaires.) Vers le bilan... La couleur d un objet est perçue différemment par chaque personne, car ses yeux sont uniques et ont leur propre sensibilité aux lumières colorées, et de plus l interprétation par son cerveau peut varier. EXERCICES Je vérifie mes connaissances Exercice 1 : Expliquer la couleur de la neige 1. La neige est de couleur blanche. 2. La neige diffuse toutes les lumières colorées du spectre de la lumière blanche et n en absorbe aucune, donc elle diffuse de la lumière blanche vers notre oeil. Exercice 2 : Schématiser l action d un objet noir C est Marie qui a raison, car un objet noir absorbe toutes les lumières colorées du spectre de la lumière blanche et n en diffuse aucune vers notre œil. Exercice 3 : Schématiser l action d un objet rouge C est Lydiane qui a raison, car un objet rouge ne peut diffuser que de la lumière rouge. S il est éclairé en lumière bleue, alors il absorbe la lumière bleue et ne diffuse aucune lumière vers notre œil. Il apparaît donc noir. Exercice 4 : Choisir le bon mot 1. La couleur d un objet est celle que l on observe quand il est éclairé en lumière blanche. 2. Un objet diffuse seulement la lumière de sa couleur. Il absorbe les autres lumières. 3. Un objet blanc peut diffuser toutes les couleurs du spectre de la lumière blanche. 4. Un objet noir absorbe toutes les lumières colorées et n en diffuse aucune. Exercice 5 : Vrai ou faux a. Vrai. Un objet blanc diffuse toutes les lumières colorées du spectre de la lumière blanche, donc de la lumière blanche. b. Faux. Un objet noir absorbe toutes les lumières colorées et n en diffuse aucune. c. Vrai. Le spectre de la lumière blanche du jour contient, entre autres, de la lumière verte. Optique 2 Corrigés 3
d. Vrai. Les salades diffusent la lumière verte et absorbent les autres lumières colorées du spectre de la lumière blanche. e. Vrai. La couleur d un objet dépend de la lumière qui l éclaire. Par exemple, un objet rouge éclairé en lumière bleue apparaît noir. f. Faux. La couleur d un objet dépend de la lumière qui l éclaire. Par exemple, l objet rouge éclairé en lumière bleue apparaîtra noir et non rouge. Exercice 6 : Choisir la ou les bonnes réponses 1. b 2. a 3. c Exercice 7 : Prévoir la couleur d un objet 1. Si les feuilles sont de couleur verte, elles ne peuvent diffuser que la lumière verte. Donc sous un éclairage bleu elles apparaîtront noires, car elles absorbent la lumière bleue et ne diffusent aucune lumière. 2. À l automne, les feuilles deviennent jaunes et peuvent alors diffuser les lumières rouge et verte (mais pas la lumière bleue). En lumière bleue, elles apparaissent donc toujours noires. Exercice 8 : Identifier les éléments de l oeil Ce schéma représente les photorécepteurs se trouvant sur la rétine de l œil. Il existe deux types de photorécepteurs : les bâtonnets, sensibles à l intensité lumineuse, et les cônes, sensibles aux différentes lumières colorées. Exercice 9 : Trouver le bon cône Lorsque j observe une voiture rouge, seuls les cônes rouges sont activés. Lorsque j observe un mur blanc, tous les cônes sont activés car ils recomposent par synthèse additive le blanc. Lorsque j observe un chapeau noir, aucun cône n est activé. J applique... Exercice 11 : D autres écrans colorés 1. Couleur de l écran Blanc Noir Bleu Magenta diffusant la lumière Couleur apparente de Blanc Noir Bleu Magenta l objet 2. Le schéma est le même que celui de la question 2 de l exercice 10. 3. Tous les écrans reçoivent de la lumière blanche, dont le spectre est composé d une infinité de lumières colorées. L écran bleu diffuse la lumière bleue vers l objet et absorbe toutes les autres lumières colorées. L objet blanc diffuse toutes les lumières qu il reçoit, ici uniquement de la lumière bleue. Il apparaît donc bleu. L écran magenta diffuse vers l objet la lumière magenta, mais aussi les lumière rouge et bleue (car on reconstitue alors la lumière magenta par synthèse additive). Il absorbe toutes les autres lumières colorées. L objet blanc reçoit et donc diffuse les lumières magenta, bleue et rouge et apparaît magenta. Exercice 12 : Quelle lumière colorée vas-tu voir? Schémas à faire avec des flèches colorées pour le trajet de la lumière pour objet vert : éclairé en lumière blanche : objet vert avec une flèche incidente avec tout le spectre de la lumière blanche et la flèche de diffusion en vert en direction de l oeil. éclairé en lumière rouge : objet noir avec une flèche incidente rouge et pas de flèche de diffusion en direction de l oeil. Optique 2 Corrigés 4
Exercice 13 : Trouver la couleur d un objet Cet objet diffuse de la lumière bleue, donc il peut s agir d un objet bleu, ou bien magenta, ou bien cyan, ou bien blanc. (Dans tous les cas il apparaît bleu, puisqu il ne diffuse que de la lumière bleue.) Exercice 14 : Une fraise rouge ou noire? 1. On oublie de préciser la lumière qui éclaire la fraise : la lumière blanche en général. 2. Une fraise peut apparaître noire si elle est éclairée en lumière verte ou bleue, car un objet rouge ne diffuse que la lumière rouge et absorbe toutes les autres lumières. Exercice 15 : Vision de nuit La nuit, sous un faible éclairage, les cônes ne sont pas activés et les photorécepteurs responsables de la vision sont uniquement les bâtonnets, non sensibles aux couleurs. Donc la vue est en noir et blanc, et les chats (et les autres objets!) nous apparaissent gris. Exercice 16 : Une couleur mystère C est Karim qui a raison. Si cet objet est de couleur rouge, alors il diffuse uniquement la lumière rouge et absorbe les autres lumières colorées. Donc, il doit apparaître rouge lorsqu il est éclairé en lumière rouge, et noir lorsqu il est éclairé en lumière verte. Si cet objet est de couleur blanche, alors il diffuse toutes les lumières colorées du spectre de la lumière blanche et n en absorbe aucune. Donc, il doit apparaître blanc lorsqu il est éclairé en lumière blanche, rouge en lumière rouge et vert en lumière verte. Or cet objet apparaît rouge en lumière rouge et noir en lumière verte : il est donc rouge. J approfondis... Exercice 17 : De jolies friandises 1. Les trois friandises sont éclairées en lumière blanche, puis en lumière rouge et enfin en lumière verte (on le voit grâce au fond blanc). 2. Le bonbon rouge apparaît rouge en lumière blanche, car il diffuse la lumière rouge du spectre de la lumière blanche, et absorbe les autres lumières colorées. Il apparaît rouge en lumière rouge, car il diffuse cette lumière rouge. Il apparaît noir en lumière verte, car il absorbe cette lumière verte et ne diffuse aucune lumière. 3. Le bonbon jaune apparaît jaune en lumière blanche car il diffuse la lumière jaune du spectre de la lumière blanche, mais aussi la lumière rouge et la lumière verte (qui reconstituent par synthèse additive la lumière jaune) ; il absorbe les autres lumières colorées. Le bonbon jaune apparaît rouge en lumière rouge, car il diffuse cette lumière rouge. Le bonbon jaune apparaît vert en lumière verte, car il diffuse cette lumière verte. Exercice 18 : Un peu d anglais 1. La traduction de «colour blind» serait «aveugle aux couleurs», c est-à-dire «qui voit pas les couleurs». 2. Le mot équivalent en français est «daltonien». Exercice 19 : Ne pas confondre les drapeaux! 1. Si on éclaire les drapeaux en lumière rouge, les drapeaux qui apparaîtront identiques sont : Chine, Tunisie et Turquie. Ils apparaîtront tout rouges, car le rouge, le blanc et le jaune diffusent la lumière rouge. 2. Les drapeaux qui apparaîtront totalement noirs éclairés en lumière bleue sont : Chine, Mali, Maroc, Allemagne. En effet le rouge, le vert, le jaune et le noir ne diffusent pas la lumière bleue. 3. Les drapeaux qui apparaissent comme en lumière blanche, si on les éclaire en lumière jaune, sont : Mali, Maroc, Allemagne et Chine. En effet la lumière jaune est composée de lumière jaune, de lumière Optique 2 Corrigés 5
rouge et de lumière verte. Les drapeaux avec des couleurs rouge, verte et jaune peuvent diffuser ces lumières colorées. Mène l enquête! Exercice 20 : Tout rouge Liste du matériel : source de lumière blanche, filtre rouge, objets de différentes couleurs. Schéma du ou des montages à réaliser : à faire (une lampe/un filtre/éclairage des objets) Explications Seuls les objets qui diffusent le rouge (objets de couleur rouge, blanc, magenta ou jaune) apparaîtront rouge, car ils peuvent diffuser la lumière rouge. L hypothèse de Laurent est donc fausse. Exercice 21 : La couleur mystère C est la couleur blanche! En effet, un objet blanc apparaîtra toujours de la couleur de la lumière colorée qu il diffuse. (Il ne peut apparaître blanc qu en lumière blanche.) Exercice 22 : Une feuille qui rougit 1. 2. La source de lumière blanche éclaire la feuille de couleur rouge, qui diffuse uniquement la lumière rouge du spectre. Cette lumière diffusée est envoyée en direction de la feuille blanche : celle-ci apparaît alors rouge, car elle diffuse la lumière rouge qu elle reçoit en direction de nos yeux. Exercice 23 : Des fruits et des légumes Guillaume n a pas eu une bonne idée, car les fruits de couleur rouge, vert ou jaune vont donc apparaître noirs (ils absorbent la lumière bleue). Une expérience simple et amusante : Écris des messages codés Le message est GAGNÉ. 1. C est la lumière verte qui arrive jusqu aux yeux, car c est la seule qui est transmise par le sirop de menthe (il joue le rôle de filtre). 2. Les lettres du message doivent être d une couleur qui ne diffuse pas la lumière verte (bleu, rouge, magenta). 3. Il faut écrire en rouge les lettres qui doivent «disparaître», et en vert ou bleu celles qu on doit lire. Optique 2 Corrigés 6
DOSSIERS Vie quotidienne Les couleurs du ciel 1. L origine de la couleur du ciel est la diffusion, de différentes manières, de la lumière du Soleil par les molécules de l atmosphère. 2. Sur la Lune il n y a pas d atmosphère et donc pas de diffusion de la lumière solaire : le ciel apparaît donc noir. 3. Autres phénomènes : - aurores boréales ou australes (diffusion de la lumière solaire par des particules cosmiques entrées dans l atmosphère) ; - pollution (diffusion par des poussières présentes dans l air). Technique la lumière noire 1. Les infrarouges sont également des lumières invisibles pour nous. 2. 3. La lumière noire est utilisée : - en médecine, pour identifier certaines maladies de peau (dermatologie), des problèmes oculaires (ophtalmologie) ; - dans les détecteurs de faux billets ou de fausses antiquités ; - lors d une enquête de police, pour détecter des traces de sang, de salive... Arts Comment les artistes colorent leurs œuvres 1. L expression «synthèse soustractive» signifie que lorsqu on mélange plusieurs pigments, chacun d eux «soustrait», c est-à-dire absorbe, une ou plusieurs lumières colorées : la lumière que l on voit ne contient alors que les couleurs qui n ont été absorbées par aucun des pigments. 2. Le pigment magenta absorbe la lumière primaire verte et diffuse la bleue et la rouge : les lumières bleue et rouge diffusées reconstituent le magenta pour notre œil. Le pigment cyan absorbe la lumière primaire rouge et diffuse la bleue et la verte. Si on le mélange au pigment magenta, ce mélange absorbe le rouge et le vert, et ne diffuse donc que le bleu : un mélange de pigments cyan et magenta apparaît bleu. Le pigment jaune absorbe la lumière primaire bleue et diffuse la rouge et la verte. Si on le mélange aux pigments magenta et cyan, ce mélange absorbe les trois lumières colorées primaires et apparaît donc noir ou très sombre. 3. L impression trichromique utilise trois cartouches d encre (jaune, magenta et cyan) pour reconstituer toutes les couleurs. L impression quadrichromique ajoute une quatrième cartouche, contenant de l encre noire, pour obtenir du noir et du gris de meilleure qualité qu avec les trois cartouches de couleurs. Optique 2 Corrigés 7