M1 EC1.4 ombre avec corrigé

UPEC/IUFM Créteil
M1 EC1.4 Ombres et lumière
CORRIGE.
Exercice 1 : Quelle est la différence fondamentale entre une source primaire de lumière
et une source secondaire de lumière. Donner deux exemples de chaque type.
Une source primaire de lumière émet de la lumière par elle-même. Le Soleil, les
étoiles, les lampes sont des sources primaires de lumière. Une source secondaire renvoie
une partie de la lumière qu’elle reçoit. La Lune, la Terre, les planètes mais aussi un
miroir tourné vers le Soleil sont des sources secondaires de lumière.
Exercice 2 : Comment le spectre de la lumière blanche peut-il être obtenu ? Quels sont
les rayonnements invisibles ?
La lumière blanche est la partie de la lumière émise par le Soleil à laquelle notre œil
est sensible. Le spectre de la lumière blanche peut être obtenu à l’aide d’un prisme de
verre ou d’un réseau (ex : la face d’un CD)…
…Où chaque couleur est caractérisée par une longueur d’onde différente (λ en mètres).
Le diagramme ci-dessus montre que la lumière visible est une petite partie d’un domaine
de radiations beaucoup plus vaste appelé ondes électromagnétiques.
Exercice 3 : Quelle est la différence principale entre des objets transparents, translucides
et opaques ?
Un objet, un liquide ou autre est opaque s’il ne laisse pas passer la lumière (bois,
carton, la plupart des objets courants et des êtres vivants). L’objet opaque absorbe une
partie de la lumière et renvoie une autre partie dans toutes les directions : c’est la
diffusion de la lumière. C’est à cause de cela que l’on peut voir les objets opaques.
Un objet, un liquide ou autre est transparent s’il laisse passer la lumière sans la
diffuser ni l’absorber (ou très peu), c'est-à-dire que l’on peut distinguer nettement un
objet se situant de l’autre côté ; exemples : le verre, l’eau, l’air.
Un objet, un liquide ou autre est translucide s’il laisse partiellement passer la lumière
sans que l’on puisse distinguer nettement un objet se situant de l’autre côté. (Exemples :
verre dépoli, papier calque)
Exercice 4 : On éclaire, par une source ponctuelle, un ballon de handball placé devant un
écran. La droite qui passe par la source lumineuse et le centre du ballon est perpendiculaire
au plan de l’écran.
1. Schématisez le dispositif en situant :
 son ombre propre,
 son ombre portée,
 la zone d’ombre du ballon
2. Que se passe-il si la source ponctuelle est remplacée par une source étendue ?
1) source ponctuelle
2) source étendue
Lorsque la source est ponctuelle on observe une ombre portée aux contours bien nets.
Lorsque la source est étendue une zone ne reçoit qu’une partie des rayons se situe
autour de l’ombre portée, c’est la zone de pénombre.
Exercice 5: Un poteau vertical de 50 cm est planté non loin d’un arbre.
En mesurant les ombres portées de l’arbre et du poteau sur le sol horizontal, on trouve
respectivement : 8 m et 40 cm.
1. Faire un schéma en indiquant les rayons solaires. Quel est le principe physique utilisé ?
2. Quelle est la hauteur de l’arbre ?
1) le soleil se situant à une très grande distance (en moyenne environ 150 000 000
km) nous pouvons considérer qu’il envoie au sol des rayons parallèles. D’où le
schéma suivant qui montre comment se forment les ombres portées de l’arbre et
du poteau vertical. Les rayons du Soleil frappent le sol en formant tous le même
angle α avec celui-ci. Cet angle α est appelé hauteur du Soleil.
2) Les triangles PAH et P’A’H’ sont donc semblables et l’application du théorème de
Thalès (dont cet exercice est une belle illustration) donne :
A’H’ / AH = P’H’ / PH d’où AH = 8 x (0,5 : 0,4) = 10 m
Exercice 6 : Célérité (Vitesse) de la lumière
1. Quelle est la célérité de la lumière dans le vide ?
2. Quel est l’ordre de grandeur de la vitesse de propagation du son dans l’air ? (le son se
propage dans l’air environ un million de fois moins vite que la lumière)
3. Donner la définition de l’année de lumière (ou année-lumière)
4. Montrer que l’année de lumière est environ égale à 1013 km.
5. Quel est l’intérêt d’utiliser une telle unité ?
1) La célérité de la lumière dans le vide est 300 000 km/s
2) Si le son se déplace à une vitesse environ 1000 000 de fois plus petite, c’est que
celle-ci vaut environ 0,3 km/s soit 300 mètres par secondes
3) L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en 1 année
4) La lumière parcourt en 1 heure (3600secondes) :
300 000 x 3600 km
En 1 jour (24 heures)
300 000 x 3600 x 24km
En 1 an (365,25 jours en moyenne)
1 A.L = 300 000 x 3600 x 24 x 365,25 = 0, 946 728 x 1013 km
5) L’intérêt est double :
- Disposer d’une unité de distance compatible avec les distances en
astronomie.
- Lorsqu’on observe une étoile, connaître sa distance à la Terre en AL
permet de savoir immédiatement combien la lumière qui parvient à notre
œil a mis de temps pour nous parvenir.
Exercice 7 : Au midi solaire, à Paris, on relève les jours des solstices et des équinoxes,
sur une surface horizontale, les ombres d’un piquet vertical (« gnomon »). Comparez ces
ombres en fonction des deux critères suivants : orientation et longueur (justifier)
Les trois schémas ci-dessous montrent respectivement le mode opératoire, la variation du
mouvement apparent du Soleil et le résultat obtenu.
Au solstice d’hiver le Soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest.
L’extrémité de l’ombre P’ qui est toujours à l’opposé du Soleil se déplace du nordouest au nord-est en passant par le nord à midi solaire (l’ombre est longue : L).
Au solstice d’été le Soleil se lève au nord-est et se couche au nord-ouest. P’
(toujours à l’opposé du Soleil) se déplace donc du sud-ouest au sud-est en passant par
le nord (mais l’ombre est beaucoup plus courte qu’au solstice d’hiver : l).
A l’équinoxe la trajectoire du point P’ extrémité de l’ombre est l’exact
intermédiaire entre celles de deux solstices, c’est une droite perpendiculaire au
méridien (la direction nord-sud) située à égale distance des deux. P’ se déplace sur
cette droite d’est en ouest, l’ombre à midi est exactement (L+l)/2.
Une fois ce qui précède compris je vous conseille de retenir les schémas cidessous, ils sont tout à fait acceptables, plus faciles à reproduire le jour d’un examen
et c’est en fin de compte des schémas de ce type que vous utiliserez plus tard si vous
enseignez l’astronomie au cycle 3.