La lumière et sa propagation
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• dire à quelle condition on voit un objet ;
• distinguer une source primaire et une source secondaire de lumière ;
• classer les corps en transparents, translucides et opaques ;
• utiliser la propagation rectiligne de la lumière : rayon, faisceau, vitesse de la lumière ;
• expliquer l'ombre, la pénombre, l'image d'une chambre noire, les phases de la Lune et les éclipses.
Prérequis : proportionnalité, conversions d'unités, puissances de dix.
Situation de départ
Pendant un concert, les faisceaux des lasers dessinent dans la fumée de longues lignes parfaitement droites. Le soir, sous un lampadaire, votre ombre a un contour net ; sous un grand néon, elle devient floue sur les bords.
Et pourtant, dans une pièce totalement obscure, on ne voit rien du tout, pas même ses mains. Que faut-il pour voir un objet ? Comment la lumière voyage-t-elle ?
I. Comment voit-on un objet ?
Posons un livre sur une table, la nuit, lumière éteinte : il est invisible. Allumons une lampe : le livre devient visible.
Éclairé, le livre diffuse une partie de la lumière qu'il reçoit, c'est-à-dire qu'il la renvoie dans toutes les directions. Une partie de cette lumière diffusée entre dans notre œil.
On ne voit un objet que si de la lumière venant de cet objet entre dans notre œil.
L'œil est un récepteur (détecteur) de lumière : la lumière forme une image sur la rétine, et le nerf optique transmet l'information au cerveau, qui reconnaît l'objet.
La pellicule photographique et les plantes vertes sont des récepteurs chimiques de lumière. Le capteur d'un appareil photo numérique ou d'un téléphone et la photopile (cellule photovoltaïque) sont des récepteurs électroniques.
II. Les sources de lumière
Une source de lumière est un corps qui envoie de la lumière. On en distingue deux sortes :
• les sources primaires produisent leur propre lumière : le Soleil et les étoiles, une flamme, la lave d'un volcan, une lampe allumée, un écran de téléphone allumé ;
• les sources secondaires (objets diffusants) diffusent une partie de la lumière qu'elles reçoivent d'une autre source : la Lune, les planètes, un livre éclairé, un mur, le ciel bleu.
La Lune ne produit pas de lumière : elle diffuse celle du Soleil. C'est une source secondaire. Un écran de cinéma est aussi une source secondaire : il diffuse la lumière du projecteur.
La lumière du Soleil traverse l'espace dans toutes les directions. Mais dans le vide, il n'y a pas de matière pour la diffuser vers nos yeux : l'espace paraît noir. La lumière peut donc se propager sans milieu matériel.
III. Transparent, translucide ou opaque ?
Plaçons successivement une vitre, une plaque de verre martelé (ou dépoli) et une planche de bois devant une lampe, et regardons la lampe à travers chaque plaque.
Comment les corps se comportent devant la lumière
| Corps | Ce qu'on observe | Exemples |
|---|---|---|
| transparent | il laisse passer la lumière sans la diffuser : on voit nettement à travers | air, eau pure, verre, vitre |
| translucide | il laisse passer une partie de la lumière en la diffusant : on ne distingue pas les formes | verre dépoli, papier calque, papier huilé, nuage |
| opaque | il ne laisse pas passer la lumière : il en absorbe une partie et diffuse le reste | bois, carton, fer, cuivre, corps humain |
Un corps translucide laisse passer de la lumière (la pièce derrière un rideau léger n'est pas noire) : il ne faut pas le confondre avec un corps opaque. Et un corps transparent peut être coloré : une bouteille de verre vert reste transparente.
IV. La propagation rectiligne de la lumière
1. La lumière va en ligne droite
On regarde le filament d'une petite lampe à travers trois écrans opaques percés chacun d'un petit trou. On ne voit le filament que si les trois trous sont alignés avec la lampe et l'œil.
Un faisceau laser qui traverse l'air, puis l'eau pure d'une cuve en verre, reste rectiligne. Mais si l'on dépose du sel au fond de la cuve sans mélanger, le sel se dissout surtout en bas : l'eau n'est plus la même partout et le faisceau se courbe.
Dans un milieu transparent et homogène (le même en tout point : air, eau pure, verre), la lumière se propage en ligne droite : c'est le principe de la propagation rectiligne de la lumière.
Dans un milieu transparent non homogène (eau salée non mélangée, air chaud au-dessus d'une route), la lumière peut se courber.
2. Rayon et faisceau lumineux
On représente le trajet de la lumière par une droite fléchée appelée rayon lumineux ; la flèche indique le sens de propagation, de la source vers le récepteur.
L'ensemble des rayons issus d'une même source forme un faisceau lumineux. On ne peut jamais isoler un seul rayon ; on obtient au mieux un pinceau de lumière, faisceau très étroit.
3. La vitesse de la lumière
La lumière se propage très vite, mais pas instantanément. Dans le vide, sa vitesse (ou célérité) vaut :
La lumière du Soleil parcourt d = 1,50.1011 m pour arriver sur Terre : t = 1,50.10113,00.108 = 500 s, soit environ 8 min 20 s. La lumière de la Lune (3,84.108 m) met seulement 1,28 s.
Pour les étoiles, on utilise l'année-lumière (a.l.) : c'est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. 1 a.l. = 3,00.108 × 365,25 × 24 × 3600 ≈ 9,47.1015 m. Attention : malgré son nom, l'année-lumière est une distance, pas une durée. Quand on regarde une étoile située à 100 a.l., on voit la lumière qu'elle a envoyée il y a 100 ans.
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