La lumière Introduction Propriété : La lumière se déplace en ligne droite dans un milieu homogène. Vitesse : La vitesse de propagation de la lumière est de 3*10 8 m/s dans le vide. 1)Nature de la lumière 1.1)Activité sur l'arc en ciel Les arcs-en-ciel sont visibles lorsque le soleil, placé derrière l'observateur, éclaire un nuage de fines gouttelettes d'eau formé par exemple après une averse. Une fois que la lumière a pénétré dans une gouttelette, elle peut se réfléchir partiellement lorsqu'elle atteint l'interface eau-air, un peu comme sur un miroir. Mais les couleurs qui sont dans la lumière blanche du soleil ne sont pas déviées de la même façon : le violet est très dévié, l'indigo un peu moins, le bleu encore moins, etc... jusqu'au rouge qui est très peu dévié. Il se produit une dispersion, c'est-à-dire la séparation des couleurs de la lumière blanche. Cela permet de voir les différentes couleurs, non plus au même endroit mais à des endroits différents : le violet en bas, puis l'indigo un peu plus haut, puis le bleu encore un peu plus haut, etc... jusqu'au rouge tout en haut de l'arc-en-ciel. On dit que la lumière blanche est décomposée en ses différentes couleurs. Questions : Quels sont les éléments qui doivent être réunis pour la formation d un arc-en-ciel? Le soleil et de fines gouttes d eau en suspension dans l air. Définir le mot interface. C est la surface de séparation entre le milieu air et le milieu eau. Quel phénomène est à l origine des couleurs de l arc-en-ciel? C est le phénomène de dispersion de la lumière. Définir le terme lumière blanche. La lumière du soleil est blanche. Mais le blanc, ça n'est pas vraiment une couleur : quand un objet est blanc c'est qu'il est de toutes les couleurs en même temps! De quoi est constituée la lumière blanche? La lumière blanche que on voit est en fait le mélange de toutes les couleurs :
Rouge + orange +jaune +vert +bleu +indigo +violet = blanc La lumière blanche est composée d un ensemble de couleurs différentes : Les radiations monochromatiques. Connaissez vous un système optique permettant de décomposer la lumière? Le prisme! Lumiere_blache_ecran_blanc Pull_bleu 1.2)Le prisme et sa capacité à décomposer la lumière On observe que la lumière blanche est décomposée lors de la réfraction: les radiations violettes et les radiations rouge, par exemple, sont déviées différemment. Lumière blanche Prisme (verre) violet jaune rouge air air 1.3)Le laser Cherchez des informations sur le laser : Light amplification stimulated emission radiation Le laser émet une radiation monochromatique. Applications du laser : Médecine (chirurgie) Mesure de distances Exemple : Lors des missions Appolo sur la lune les astronautes ont déposé des miroirs sur la surface lunaire. On les utilise aujourd hui pour mesurer la distance terre lune. Une impulsion laser met 2,53 secondes pour nous revenir calculer la distance terre lune. 1.4)Un autre moyen d'obtenir une lumière monochromatique Utilisation d un filtre. Les filtres de bonne qualité permettent de ne sélectionner qu un type de radiation.
2)La longueur d'onde 2.1)Définition La lumière se présente comme une onde sinusoïdale se propageant dans l'espace et dans le temps, c'est-à-dire comme quelque chose qui se reproduit identique à lui même quel que soit le lieu ou l'instant d'observation: Ainsi, si j'observe la lumière à un moment donné, je vois une succession régulière de creux et de bosses qui occupe tout l'espace disponible. La distance entre deux crêtes successives dans l'espace s'appelle la longueur d'onde traditionnellement représentée par la lettre grecque λ. λ Longueur d'onde et fréquence sont reliées par la vitesse à laquelle se propage l'onde. Pour la lumière cette vitesse est une constante absolue de la nature, symbolisée par la lettre c et qui vaut très exactement c = 2,99792 10 8 ms -1, soit environ 300.000 km parcourus en une seconde. Chaque onde électromagnétique est caractérisée par sa longueur d'onde, qui se traduit par la couleur de la lumière. Le spectre visible s étend du violet (400 nm à la couleur rouge (750 nm)). Si on représente une onde lumineuse par une vague, la longueur d'onde correspond à la distance entre deux creux. Schéma représentant des radiations de longueurs d onde différentes. La lumière visible :
3)Les lois de la réfraction 3.1)définition La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux quand il traverse la surface séparant deux milieux transparents différents. 3.2)Un peu de vocabulaire Pour qu'il y ait réfraction, les rayons lumineux doivent traverser une surface séparant deux milieux transparents différents: le dioptre. Quand la surface est plane, le dioptre est dit plan. Le rayon lumineux qui arrive sur la surface est appelé rayon incident. De l'autre côté de la surface, il donne un rayon réfracté. Si l'on considère le plan d'incidence qui est te plan contenant le rayon incident et la perpendiculaire ou normale à la surface, le rayon réfracté appartient à ce plan. L'angle entre la normale au point d'incidence et le rayon incident s'appelle l'angle d'incidence. L'angle de réfraction est l'angle entre cette même normale et le rayon réfracté. Le rayon réfracté et le rayon incident sont situés de part et d'autre de la normale. En pratique, les dessins sont toujours réalisés dans le plan d'incidence. 3.3)La loi de descartes n1sin(i)=n2sin(r) Quand rayon arrive et se réfracte dans un milieu transparent quelconque, il se rapproche de la normale. Quand un rayon arrive d un milieu transparent quelconque et se réfracte dans l air, il s éloigne de la normale. 3.4)Indice d'un milieu L indice des milieux transparents tels que le verre l eau ou le plexiglas diminue quand la longueur d onde augmente.
Indice de l eau : n=1.33 Indice du cristal : n=1.66 Indice du diamant : n=2.40 4)La spectroscopie 4.1)Spectre continu d'origine thermique Définition : Fortement chauffé, un corps solide, liquide ou gazeux, émet un rayonnement dont le spectre est continu. Il existe une relation entre la température d un corps incandescent et sa couleur. Vers 800 C rouge cerise. Vers 1100 C jaune orangé. Vers 2700 C (température du filament d une lampe à incandescence) il paraît blanc. Le spectre de la lumière émise par un corps chauffé détermine sa couleur. Ce spectre évolue donc avec la température. Quand la température augmente, des radiations de longueur d onde décroissantes apparaissent progressivement : Le rayonnement se déplace vers le violet. Exercice : Détermination de la température de surface du soleil. Plus un corps est chaud plus il émet de la lumière dans les courte longueur d ondes. Ainsi un métal peu chauffé émet dans le rouge ; il émet de plus en plus dans le bleu lorsque sa température s élève. La lumière étant alors perçue de plus en plus blanche. La loi de Wien rend compte de se phénomène. Elle le modélise par la relation : Λm*T=2900 μm.k Λm la longueur d onde qui correspond au rayonnement le plus intense dans le spectre continu. T est la température de l étoile. Elle est exprimé en Kelvin : Le zéro de cette échelle est le zéro absolu. T( )=T(K)-273 Le spectre continu de la lumière solaire présente un maximum d intensité lumineuse dans le vert comme le montre la courbe ci-dessous : luminance U.V visible I.R. 300 500 700 900 longueur d'onde (nm) Munis de ces renseignements, calcules la valeur approximative de la température de la surface du soleil. 4.2)Spectres de raies d'émission Le spectre donné par une lampe à vapeur de sodium ou à vapeur de mercure est discontinu.
La lumière émise par ces lampes est composée d'un nombre limité de radiations. Leur spectre est un spectre de raies d'émission. A chaque raie correspond une radiation monochromatique. Un spectre de raie permet d'identifier un élément chimique sans ambiguïté.le spectre de raies est la signature de l'élément chimique. 4.3)Spectres de raies d'absorption Lorsqu'une substance est traversée par de la lumière blanche, le spectre obtenu est constitué de raies noires se détachant sur un spectre coloré. Spectre d'absorption du mercure Note : Les raies d'absorption correspondent aux raies d'émission.un élément chimique absorbe les radiations qu'il est capable d'émettre. Spectre d'émision du mercure : 4.4)Application à l'astrophysique En observant le spectre de la lumière émise par une étoile, on peut déterminer la composition chimique de son atmosphère et sa température de surface.