Spectre de la lumière et vision
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• décomposer la lumière blanche et décrire son spectre ;
• distinguer une lumière monochromatique et une lumière polychromatique ;
• expliquer la couleur d'un objet et le rôle d'un filtre ;
• reconnaître la synthèse additive des couleurs (rouge, vert, bleu) ;
• expliquer la vision des couleurs, le daltonisme et les illusions d'optique ;
• citer des sources, des effets et des dangers des rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Prérequis : propagation rectiligne, diffusion de la lumière par les objets éclairés.
Situation de départ
Après une averse, quand le Soleil revient dans votre dos, un arc-en-ciel apparaît. Sur la face d'un vieux CD, des reflets colorés dansent. Dans une salle de concert éclairée en rouge, un T-shirt vert paraît… noir !
D'où viennent toutes ces couleurs ? Les couleurs des objets leur appartiennent-elles vraiment ?
I. Le spectre de la lumière blanche
1. Décomposition par un prisme
Un prisme est un bloc transparent (verre, plastique) limité par des faces planes non parallèles. Faisons passer un faisceau de lumière blanche (lumière du Soleil, lampe d'un projecteur) à travers un prisme et recevons la lumière sur un écran.
La lumière qui sort n'est plus blanche : sur l'écran apparaît une bande colorée allant du rouge au violet, en passant par l'orangé, le jaune, le vert, le bleu et l'indigo. C'est le spectre de la lumière blanche.
La lumière blanche est un mélange de lumières colorées : c'est une lumière polychromatique. Un prisme (ou un réseau) la décompose.
Chaque lumière colorée du spectre est une lumière monochromatique (une radiation) : un second prisme la dévie mais ne la décompose plus.
Les couleurs passent de l'une à l'autre sans interruption : le spectre de la lumière blanche est continu.
Dans un arc-en-ciel, ce sont les gouttes de pluie qui décomposent la lumière du Soleil, comme des milliers de petits prismes : on le voit en tournant le dos au Soleil. La face gravée d'un CD se comporte comme un réseau : elle décompose aussi la lumière blanche.
II. La couleur d'un objet
1. Un objet diffuse certaines lumières et absorbe les autres
Éclairons avec la lumière du jour une tomate, un piment vert et un oignon blanc : la tomate paraît rouge, le piment vert et l'oignon blanc.
Éclairons-les maintenant avec une lumière rouge (lumière blanche passée à travers un filtre rouge) : la tomate paraît rouge, l'oignon paraît rouge et le piment paraît noir.
Un objet éclairé absorbe une partie des lumières qu'il reçoit et diffuse les autres : la lumière diffusée, qui arrive dans notre œil, donne sa couleur.
• un objet blanc diffuse toutes les lumières qu'il reçoit ;
• un objet noir les absorbe toutes ;
• un objet rouge diffuse le rouge et absorbe les autres.
La couleur d'un objet dépend donc de l'objet et de la lumière qui l'éclaire : pour paraître rouge, il faut qu'il y ait du rouge dans cette lumière.
2. Les filtres colorés
Un filtre est une lame transparente colorée (verre, plastique, gélatine). Un filtre rouge éclairé en lumière blanche ne laisse passer que la lumière rouge et absorbe les autres.
Si l'on superpose un filtre rouge et un filtre vert, la lumière rouge qui sort du premier est absorbée par le second : il ne sort aucune lumière.
Un filtre ne colore pas la lumière : il retire des couleurs à la lumière blanche. Un filtre rouge ne laisse pas passer « toutes les couleurs sauf le rouge » : c'est l'inverse.
Un message écrit en rouge sur une feuille blanche est lu à travers un filtre rouge : les lettres et le fond envoient tous les deux du rouge, le message disparaît. À travers un filtre vert, le fond paraît vert et les lettres noires : le message se lit très bien.
3. La synthèse additive des couleurs
Superposons sur un écran blanc les lumières de trois projecteurs rouge, vert et bleu. On obtient :
Regardez l'écran d'un téléphone avec une loupe : il est formé de minuscules points rouges, verts et bleus. De loin, l'œil ne les sépare pas : leurs lumières s'additionnent et donnent toutes les couleurs de l'image.
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