La propagation rectiligne de la lumière
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• énoncer le principe de la propagation rectiligne de la lumière et tracer un rayon lumineux ;
• distinguer les faisceaux divergent, parallèle et convergent ;
• expliquer l'image renversée d'une chambre noire ;
• représenter l'ombre et la pénombre d'un objet ;
• expliquer les phases de la Lune et les éclipses.
Situation de départ
Le faisceau d'un phare balaie la mer la nuit. Dans une salle de concert, les faisceaux des projecteurs dessinent des lignes droites dans la fumée. Le soir, au stade, chaque joueur a quatre ombres. Et parfois, en plein jour, le Soleil disparaît derrière la Lune.
Quel chemin suit la lumière, et comment expliquer ces phénomènes ?
I. La propagation de la lumière
1. La lumière se propage en ligne droite
Expérience : on regarde une petite lampe à travers les trous de trois cartons. On ne voit la lumière que si les trois trous sont alignés avec la lampe (on le vérifie avec un fil tendu).
Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite.
On représente le trajet de la lumière par un rayon lumineux : une droite avec une flèche qui indique le sens de propagation, de la source vers l'objet éclairé ou vers l'œil.
Applications
- viser avec un alignement d'épingles ;
- vérifier qu'une règle est droite ;
- le faisceau laser qui sert à aligner les carreaux ou à mesurer des distances (télémètre).
Ne jamais diriger un laser vers les yeux.
2. La vitesse de la lumière
Dans le vide (et presque dans l'air), la lumière se propage à la vitesse c = 300 000 km.s-1. Elle est un peu plus lente dans l'eau ou le verre.
Distance, vitesse et durée sont liées par d = c × t, donc t = dc.
Le Soleil est à 150 000 000 km de la Terre : t = 150 000 000300 000 = 500 s, soit 8 min 20 s. La lumière que nous voyons est partie du Soleil 8 minutes plus tôt.
L'année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an : environ 9,46.1015 m, soit près de 10 000 milliards de km. L'étoile la plus proche du Soleil est à un peu plus de 4 années-lumière.
3. Les faisceaux lumineux
Un ensemble de rayons issus d'une même source forme un faisceau lumineux.
Trois sortes de faisceaux
| Faisceau | Les rayons | Exemples |
|---|---|---|
| divergent | s'écartent | lumière d'une lampe de poche, d'une ampoule |
| parallèle | restent parallèles | lumière du Soleil, faisceau d'un phare au loin, laser |
| convergent | se rapprochent vers un point | lumière du Soleil après une loupe |
Un faisceau parallèle très fin s'appelle un pinceau lumineux. Après son point de rencontre, un faisceau convergent devient divergent.
4. La chambre noire et l'appareil photo
Une chambre noire est une boîte fermée, percée d'un petit trou, avec un écran translucide sur la face opposée. Une bougie placée devant le trou donne sur l'écran une image renversée.
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