Lumière

Niveau 1

La propagation rectiligne de la lumière

La lumière se propage en ligne droite. Ce phénomène est visible par exemple lorsqu'un rayon de soleil traverse une pièce poussiéreuse : on distingue une trajectoire droite et nette.

Le modèle du rayon lumineux

Pour modéliser la lumière, on utilise le modèle dui rayon lumineux :

  • La lumière est représentée par une ligne droite avec une flèche indiquant le sens de propagation.

Plusieurs rayons forment un faisceau lumineux. On ne représentera que les rayons extrêmes pour simplifier les schémas, mais il y a bien une infinité de rayon entre ces deux rayons.

Rayon lumineux Rayon extrême supérieur Rayon extrême inférieur

Les types de sources lumineuses

On considère 2 types de sources lumineuses

  • Sources primaires qui produisent leur propre lumière (comme le Soleil, la lampe, la bougie, l'écran ou la luciole).
  • Sources secondaires qui ne produisent pas de lumière mais renvoient celle qu'elles reçoivent (comme la Lune, les murs, les livres, les visages, ou tout autres objets).

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Formation des ombres

Un objet opaque placé devant une source lumineuse bloque certains rayons, créant des zones sans lumière. On distingue plusieurs zones :

  • La zone d'ombre propre : partie de l'espace derrière l'objet non éclairée.
  • L'Ombre portée : projection de l'ombre sur une surface derrière l'objet.

Cliquer pour allumer la lumière

Source de lumière Objet opaque Zone d'ombre Ombre Portée

Conditions pour voir un objet

La capacité que l'on aura pour voir ou non un objet (avec nos yeux ou une caméra) dépend de deux conditions :

  • L'objet à voir est éclairé. Il y a donc présence de lumière
  • La lumière renvoyée et issue de l'objet atteint les yeux de l'observateur (ou l'objectif de la caméra)

Trois phénomènes optiques

La lumière interagit différemment avec la matière qu'elle rencontre. Elle sera généralement soit diffusée, soit réfléchie, soit transmise. Il lui arrive dans certains cas d'être absorbée.

  • Diffusion lumineuse

    Diffusion

    Lumière renvoyée dans toutes les directions par la surface.

    Exemples : mur blanc, papier, nuage

  • Réflexion lumineuse

    Réflexion

    Lumière renvoyée dans une seule direction.

    Exemples : miroir, surface calme de l'eau

  • Transmission Lumineuse

    Transmission

    La lumière traverse l'objet en continuant sa propagation.

    Exemples : vitre, eau claire, verre

Un peu d’histoire

Pendant longtemps, on croyait la lumière instantanée. Au XVIIe siècle, Galilée tenta de mesurer sa vitesse sans succès. En 1676, Ole Rømer utilisa les observations de la lune de Jupiter Io pour prouver que la lumière a bien une vitesse et qu'elle met donc du temps pour se propager.

Valeur actuelle

Aujourd’hui, on sait que c = 299 792 458 m/s (soit environ 300 000 km/s). La lumière peut faire environ 7,5 fois le tour de la Terre en une seconde.

Applications

Connaissant la valeur de la vitesse de la lumière, on peut alors calculer des distances en mesurant le temps entre l'émission et la réception de la lumière. Il suffit d'appliquer la formule de la vitesse. On retrouve ce principe dans:

  • Télémètre laser : mesure de distance en chronométrant le temps d’aller-retour d’un faisceau.
  • Année-lumière : distance parcourue par la lumière en un an (≈ 9,46 × 1012 km). Permet de mesurer les distances entres les étoiles de la voie lactée.

Limites du modèle du rayon lumineux

Le modèle du rayon lumineux, permet de comprendre de nombreux phénomènes lumineux. Cependant, il ne permet pas d’expliquer les couleurs, les interférences ou la nature profonde de la lumière. C'est pourquoi un nouveau modèle l'a remplacé.

Modèle ondulatoire

La lumière est une onde électromagnétique capable de se propager dans le vide. Elle se déplace toujours en ligne droite (comme le rayon lumineux) mais désormais elle a les propriétés d'une onde.

Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique Il regroupe toutes les ondes électromagnétiques classées par fréquence. On y décrit alors différent domaines :

Survolez un domaine pour en savoir plus

Domaines Electromagnétique Lumière V isible Rayon Gamma Rayon X UV Infra Rouge Micro-ondes Ondes radio 10 10 10 10 6 9 12 15 18 21 Fréquence (Hz) 10 10
Il est à noté que la lumière visible ne correspond qu'à un très petit fragment des ondes électromagnétiques existant dans l'univers.

Avantages du modèle ondulatoire

Grace à ce modèle on peut alors expliquer :

  • Les couleurs : chaque fréquence correspond à une couleur différente.
  • La propagation dans le vide.
  • Des phénomènes comme les arcs-en-ciel ou les interférences.