HGT (SCB) - enseignement Catholique

HGT (SCB)
Physique – UAA4
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
Optique géométrique
Sources lumineuses et propriétés de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique1 directement perceptible par l’œil humain. Cela signifie
que la lumière est une forme d’énergie rayonnée : l’énergie lumineuse se déplace continuellement
entre sa naissance et sa disparition. Comme toutes les ondes électromagnétiques, la lumière se
propage dans le vide à une vitesse quasiment égale à c = 300 000 km/s.2
Lors de la production de la lumière, une forme d’énergie primaire se transforme en énergie lumineuse
dans une source lumineuse. Lors de la disparition de la lumière, en particulier son absorption par
une substance3, de l’énergie lumineuse se retransforme en d’autres formes d’énergie.
Conformément au principe de conservation de l’énergie, la quantité totale d’énergie disponible reste
constante au cours de ces transformations.
L’énergie se mesure normalement en joules et la puissance en watts. Ces unités ne sont pas
directement utilisables pour la mesure de l’énergie lumineuse perçue par l’œil humain : celui-ci n’est
en effet sensible qu’à une partie de l’énergie rayonnée.
L’intensité lumineuse I d’une source lumineuse est la quantité d’énergie lumineuse qu’elle produit
par unité de temps. Historiquement, l’intensité lumineuse était mesurée en « bougies », et ce n’est
que depuis 1949 qu’elle est mesurée en candela4.
Le flux lumineux  se mesure en lumen (lm) et est la quantité totale d’énergie lumineuse passant à
travers une certaine surface par unité de temps. Dans le cas d’une source lumineuse, le flux lumineux
total correspond à l’énergie lumineuse qu’elle émet par unité de temps, dans toutes les directions.5 Le
1
Il existe de nombreuses autres ondes électromagnétiques (ondes hertziennes, micro-ondes, infra-rouges,
ultra-violets, rayons X…) qui seront abordées au cours de 6ème. La lumière se propage aussi sous forme
d’entités indivisibles d’énergie appelées photons.
2
La valeur admise actuellement est en fait de 299 790 km/s. Elle est indépendante du système de référence,
est une des constantes fondamentales, et a comme symbole la lettre c.
3
Dans certaines conditions de laboratoire, on peut aussi observer que des particules d’énergie lumineuse, les
photons, peuvent se transformer spontanément en paires de particules/antiparticules.
4
Le candela (chandelle, en latin) est actuellement défini comme l’unité de l'intensité lumineuse, dans une
direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 10 12 Hertz
(correspondant à une longueur d'onde de 555 nm dans le vide) et dont l'intensité énergétique dans cette
direction est 1/683 watt par stéradian. La fréquence mentionnée correspond à une couleur jaune-vert, et n’a
d’intérêt que pour faire coïncider 1 candela avec l’intensité d’une bougie « moyenne ».
Les ampoules à incandescence classique émettaient environ 1 candela par watt de puissance consommée. Les
ampoules actuelles en émettent plus…
5
Le flux lumineux peut être comparé à un débit. Dans le cas d’une source lumineuse, il se calcule en
multipliant son intensité lumineuse par l’angle solide dans lequel la lumière est émise :  où :

est le flux lumineux en lumen (unité SI : 1 lm) ;

I est l’intensité lumineuse en candela (unité SI : 1 cd) ;

est l’angle solide (unité SI : 1 stéradian (sr)). L’angle solide mesure ici la proportion de la surface
traversée par la lumière par rapport à la surface totale d’une sphère qui serait centrée sur la source
lumineuse. Si celle-ci émet dans toutes les directions, sr.
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1
flux lumineux est devenu la grandeur de référence pour caractériser le pouvoir lumineux des sources
lumineuses (ampoules…).
L’éclairement lumineux E est le flux lumineux par unité de surface. Il se calcule à l’aide de la loi : E
=  / S où :
 E est l’éclairement lumineux (unité SI : 1 lux (lx) = 1 lm/m²) ;
 est le flux lumineux en lumen (unité SI : 1 lm) ;
 S est la surface (unité SI : 1 m²).
Il s’ensuit que l’éclairement est indépendant de la grandeur de la surface : si on reste à même
distance d’une source lumineuse émettant de la même manière dans toutes les directions, une
surface deux fois plus grande reçoit un flux deux fois plus grand, mais l’éclairement reste le même.
L’éclairement peut se mesurer à l’aide d’un luxmètre. Notons que l’éclairement du Soleil, en été, est
d’environ 100 000 lux. Une surface de travail confortable (un bureau) reçoit quelques centaines de
lux6.
L’éclairement d’une surface éclairée par une seule source lumineuse ponctuelle isotrope7, est
inversement proportionnel au carré de la distance, ce qui se traduit par
𝐸=
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑟²
où :
 r est la distance séparant la source de la surface (unité SI : 1 m²) ;
 E est l’éclairement de la surface (unité SI : 1 lx).
Il s’ensuit que si on double la distance, l’éclairement est divisé par 4.
Ce résultat peut être démontré en considérant le flux lumineux passant par une surface de 1 m² situé
à une distance r de la source, située à gauche sur le schéma. Si on double la distance entre la
surface et la source, il faut que la surface devienne quatre fois plus grande pour que le flux lumineux
reste identique8. Mais si la surface devient quatre fois plus
grande pour un même flux lumineux, l’éclairement est
divisé par quatre, en vertu de sa définition9.
Notons que les yeux sont très sensibles aux différences
d’éclairement entre deux surfaces se jouxtant. Mais cette
hypersensibilité au contraste peut conduire à des illusions
d’optiques : un objet apparaît ainsi beaucoup plus clair qu’en réalité, s’il se trouve dans un
environnement sombre.
Les objets situés sur la trajectoire de la lumière influencent considérablement sa propagation.
D’ailleurs, un objet ne peut être vu que s'il reçoit de la lumière d'une source lumineuse et la renvoie
vers l'œil de l'observateur.
Un objet est transparent si la lumière peut le traverser et si on peut voir distinctement ce qui se trouve
derrière, il est translucide si la lumière peut le traverser sans qu’on puisse voir distinctement ce qui
se trouve derrière, et il est opaque si la lumière ne peut pas le traverser.
Dans le cadre de ce cours, nous considérerons que la lumière se propage de manière rectiligne dans
les milieux transparents10. Elle forme des faisceaux ou pinceaux de lumière11 délimités par des
lignes droites. On peut schématiser la propagation de la lumière par des rayons de lumière
représentés par des segments de droite fléchés. Notons que deux faisceaux de lumière ne se
perturbent pas en se croisant.
6
Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89clairement_lumineux – consulté le 08 mars 2015
La source est supposée ponctuelle si ses dimensions sont petites par rapport à la distance entre la source et la
surface. Elle est isotrope si elle émet de la même manière (le même flux) dans toutes les directions.
8
En fait, l’angle solide reste identique.
9
Source de l’image : http://www.techniquesduson.com/acoustiquefondamentale.html - consulté le 08 mars
2015. Notons que le raisonnement fait ici pour la lumière convient également aux ondes sonores, dont
l’intensité est exprimée en W/m².
10
En réalité, la lumière est légèrement déviée en frôlant des objets. Ce phénomène, appelé « diffraction »,
sera abordé au 3ème degré. De plus, selon la théorie de la relativité générale, les objets massifs provoquent une
courbure de l’espace-temps, et donc aussi de la trajectoire de la lumière.
11
Par abus de langage, on parle aussi de faisceaux, pinceaux et rayons lumineux dans le langage courant. En
réalité, seuls les objets qui émettent de la lumière (de manière directe ou indirecte) sont lumineux.
7
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2
Lorsqu’on place un objet opaque devant une source
lumineuse, il se forme à l’arrière des zones d’ombre
où la lumière de la source ne parvient pas, et des
zones de pénombre où la lumière de la source ne
parvient qu’en partie.
Lorsqu’on met en présence un objet opaque et une
source lumineuse ponctuelle, on crée d’une part une
zone éclairée (l’ensemble des points d’où la source
est visible) et d’autre part une zone d’ombre
(l’ensemble des points d’où la source n’est pas
visible). La zone d’ombre comprend12 :

l’ombre propre (partie non éclairée de l’objet
opaque),

l’ombre portée (tache noire qui se forme
derrière l’objet sur un écran),

le cône d’ombre (espace situé entre l’objet
opaque et l’écran).
Dans le langage courant, l’ombre désigne souvent
l’ombre portée. Celle-ci est toujours située à
l’opposé de la source lumineuse. La forme de
l’ombre portée dépend de celle de l’objet opaque,
et sa taille dépend des distances qui séparent la
source, l’objet et l’écran.
La Terre est une planète qui tourne en orbite
autour du Soleil dans un plan appelé
« écliptique ». Par contre, la Lune est un satellite
de la Terre et tourne en orbite autour de celle-ci
dans un plan appelé « équatorial »13.
Du fait de
l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre, l’écliptique et
l’équatorial forment un angle d’environ 23° l’un par
rapport à l’autre. Le Soleil, la Terre et la lune ne peuvent
donc être alignés que lorsque l’orbite de la Lune croise
l’écliptique14, ce qui se produit aux environs des
équinoxes15.
Deux cas de figure peuvent alors
éventuellement se présenter :

Lors de certaines positions de la Lune entre le Soleil
et la Terre, la lumière du Soleil ne peut traverser la
Lune pour parvenir à un observateur terrestre qui se
trouve dans le cône d’ombre de la Lune, et celui-ci
assiste à une éclipse solaire totale. Cette éclipse
peut aussi être partielle ou annulaire si l’observateur
se trouve dans la pénombre portée par la Lune.

Quand la Terre se trouve entre le Soleil et la Lune, la
lumière du Soleil ne peut traverser la Terre pour
éclairer la Lune qui se trouve dans le cône d’ombre
de la Terre et un observateur terrestre, qui se trouve
dans le cône d’ombre de la Terre, assiste à une
éclipse lunaire.16
12
Image : http://www.assistancescolaire.com/eleve/5e/physique-chimie/reviser-une-notion/les-ombres5pea21
13
Source de l’illustration : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89clipse
14
Ceci justifie l’appellation « écliptique », qui est le lieu où la Lune doit se trouver pour que des éclipses
puissent se produire.
15
L’équinoxe (littéralement le moment où le jour a la même durée que la nuit) de printemps a lieu le 21 mars,
et l’équinoxe d’automne a lieu le 21 septembre.
16
Source
de
l’image :
http://media4.obspm.fr/public/AMC/pages_tp-calendrier/deroulement-tpcalendrier_impression.html (crédit « Observatoire de Paris / U.F.E. »)
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3
Lors de sa rotation autour de la Terre, la Lune nous
présente différents aspects que l’on appelle les phases
de la Lune17. La Lune est éclairée par le Soleil ; une
moitié de sa surface se trouve dans la lumière, l’autre
moitié dans l’ombre. La proportion plus ou moins grande
d’ombre et de lumière visible depuis la Terre s’explique
par les positions relatives de la Terre, de la Lune et du
Soleil. Ainsi, lorsque la Lune se trouve entre le Soleil et la
Terre, elle nous apparaît entièrement sombre : c’est la
nouvelle lune. Si la Lune est située à l’opposé du Soleil,
on voit l’entièreté de sa face éclairée : c’est la pleine
lune. Quand l’axe Terre-Lune forme un angle droit avec
l’axe Terre-Soleil, nous voyons la moitié de la Lune : c’est le premier quartier quand la partie éclairée
se trouve à droite (elle fait penser à un p), le dernier quartier si la partie éclairée est à gauche (elle
fait penser à un d)18.
Lorsqu’elle rencontre un objet opaque, la lumière est généralement partiellement diffusée, c’est-à-dire
renvoyée dans toutes les directions, et partiellement absorbée. C’est ce qui se produit avec la Lune,
en orbite autour de la Terre, et les planètes, en orbite autour du Soleil.
Lorsqu’on fait passer un faisceau de lumière blanche19 à travers un prisme en verre ou en plexiglas,
on observe un étalement de sept couleurs (dans l’ordre des déviations croissantes : le rouge, l’orange,
le jaune, le vert, l’indigo, le bleu et le violet) appelé spectre de la lumière visible. Ce phénomène, qui
se produit aussi dans les arc-en-ciel20, est appelé décomposition ou dispersion chromatique. Les
sept couleurs obtenues sont appelées couleurs monochromatiques, car il n’est pas possible de les
décomposer en d’autres couleurs au moyen d’un prisme.
Le prisme ne crée pas ces lumières colorées ; il
ne fait que les séparer. Cette expérience montre
donc que la lumière blanche (par exemple celle
du Soleil) est composée de tout un ensemble de
rayonnements électromagnétiques différents
caractérisés par leur longueur d’onde21. Pour la
lumière
visible,
celle-ci
s’étend
approximativement de 400 nm pour le violet à
750 nm pour le rouge22.
Les couleurs en soit n’ont pas d’existence
physique, et ne sont que des interprétations
produites par le cerveau à partir des informations
provenant des différents photorécepteurs situés
sur la rétine23.
17
Source de l’image : http://www.proprofs.com/quiz-school/story.php?title=grade-6-unit-2-earth-sun-moonand-weather-quiz
18
Les phases de la Lune ne doivent pas être confondues avec les éclipses : lors d’une éclipse de Lune, nous
voyons l’ombre portée de la Terre; tandis que lors des différentes phases de la Lune, c’est l’ombre propre de la
Lune que nous observons. Notons que la période de rotation de la Lune sur elle-même, par rapport à la Terre,
correspond exactement à sa période de révolution autour de la Terre, de telle sorte que c’est toujours la même
face de la Lune qui est visible depuis la Terre.
19
La lumière solaire ou celle émise par les lampes à incandescence produisent les meilleurs résultats. Les
prismes décomposent la lumière en la réfractant deux fois de suite (voir plus loin la section « Réflexion et
réfraction de la lumière »). On peut également utiliser un réseau de diffraction de plus de 100 fentes par mm si
on ne dispose pas de prisme, mais son fonctionnement se base sur les propriétés ondulatoires de la lumière,
qui ne seront abordées qu’au 3ème degré.
20
Voir plus loin la section « Réflexion et réfraction de la lumière ».
21
La notion de longueur d’onde sera définie au 3ème degré.
22
1 nm = 10-9 m (un milliardième de mètre).
23
En particulier, le fait de n’observer que 7 couleurs lors de la décomposition de la lumière blanche par un
prisme est un effet de la sensibilité limitée de l’œil humain : en fait, on devrait voir un continuum de couleurs
entre le rouge et le violet.
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4
Il existe deux types de photorécepteurs :
 Les bâtonnets : l’œil en comporte près de 125 millions, qui sont principalement disposés
dans toute la périphérie de la rétine. Les bâtonnets sont surtout actifs dans des conditions de
faible luminosité (vision crépusculaire).
 Les cônes : l’œil comporte près de 7 millions, qui sont exclusivement situés dans un
renfoncement de la rétine, la fovéa. Cette zone où la netteté est maximale est située au
centre de la tache jaune (la macula).24 Les cônes sont surtout actifs dans des conditions de
forte luminosité (vision diurne).
Comme nous le verrons ultérieurement, cette différence de répartition entre les deux types de
photorécepteurs a une incidence sur le champ de vision qui est sensiblement plus étendu en mode
nocturne qu’en mode diurne.
Lors d’une baisse de la luminosité (par exemple en soirée), les cônes deviennent inactifs et cèdent
progressivement le relais aux bâtonnets qui sont près de 500 fois plus sensibles. Cette phase
appelée adaptation crépusculaire peut durer jusqu’à 50 minutes, ce qui n’est pas sans incidence sur
les risques accrus liés par exemple à la conduite à la tombée du jour. Par contre, la réactivation des
cônes lors de l’augmentation de la luminosité ne dure que 15 à 60 secondes.
La vision nocturne est non seulement possible grâce à la plus grande sensibilité des bâtonnets, mais
aussi par leur couplage en assez grand nombre : ce nombre augmente pour aller jusqu’à 130
bâtonnets formant une même unité, en allant du centre vers la périphérie de la rétine. A cela s’ajoute
la dilatation de la pupille qui laisse entrer dans l’œil jusqu’à 20 fois plus de lumière en mode nocturne
qu’en mode diurne. L’ensemble de ces facteurs permet donc une multiplication de la sensibilité
oculaire de plus de 1 million de fois en périphérie de la rétine. Ceci permet d’expliquer qu’en
conditions idéales et dans l’obscurité totale, un œil est capable de voir la flamme d’une bougie située
à une distance de 15 km, alors qu’il est peut aussi voir en plein Soleil quand l’éclairement est 10
millions de fois plus élevé !
Alors que les bâtonnets sont tous identiques et présentent un
maximum de sensibilité pour une lumière d’une longueur d’onde
de 498 nm, les cônes sont de trois types :
- certains présentent un maximum de sensibilité pour une
lumière d’une longueur d’onde de 437 nm, et le cerveau
interprète leur signal en lui associant la couleur bleue ;
- d’autres sont surtout sensibles à une longueur d’onde
de 533 nm, à laquelle le cerveau associe la couleur
verte ;
- d’autres enfin sont surtout sensibles à une longueur
d’onde de 564 nm, à laquelle le cerveau associe la
couleur rouge.
La couleur d’une lumière observée par l’œil correspond donc
en réalité à une certaine proportion d’influx nerveux provenant des trois types de cônes. C’est le
cerveau qui interprète ces influx nerveux en leur associant une certaine couleur.
Réflexion et réfraction
La réflexion spéculaire est le brusque changement de direction que subit un faisceau de lumière
lorsqu’il rencontre une surface dite réfléchissante : le faisceau de lumière retourne dans le milieu d’où
il vient tout en étant dévié dans une direction particulière.
La direction du rayon réfléchi dépend de la direction du rayon incident correspondant par rapport à la
normale au miroir au point d’incidence. Elle est déterminée par les deux lois de la réflexion :

Le rayon réfléchi se trouve dans le plan formé par le rayon incident et la normale ;

L’angle de réflexion (formé par le rayon réfléchi et la normale) est égal à l’angle d’incidence (formé
par le rayon incident et la normale).
En cas de réflexion spéculaire, un observateur peut voir l’image d’un objet situé du même côté que lui
par rapport à la surface réfléchissante. Cette image est virtuelle car elle ne peut être captée sur un
écran. Quelle que soit sa position et tant qu’il peut observer la lumière provenant d’un point de l’objet
qui est réfléchie par la surface réfléchissante, l’observateur a l’impression que cette lumière provient
d’un point de l’image qui correspond au point de l’objet par symétrie orthogonale de la surface
24
Source de l’illustration : http://theses.univlyon2.fr/documents/getpart.php?id=lyon2.2006.gracia_d&part=114092
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réfléchissante. L’observateur voit une image de l’objet qui lui est en tout point semblable, sauf qu’elle
est renversée. Ainsi, dans l’illustration ci-dessous à gauche, le bonhomme lève son bras droit, alors
que son image lève son bras gauche25. Ceci peut s’expliquer en disant que tout se passe comme si
l’observateur avait pris la position de son propre symétrique par rapport au miroir, et observait l’objet à
travers le miroir rendu transparent, comme dans l’illustration ci-dessous à droite.26 Comme il n’inverse
pas le haut et le bas lors de ce déplacement, il est obligé d’inverser la gauche et la droite.
Image
Position finale de
l’observateur
Miroir
Objet
Observateur
Position initiale de
l’observateur
Par contre, en cas de réflexion diffuse, un observateur ne peut voir l’image d’un objet : chaque
pinceau de lumière incident est réfléchi dans une direction propre.27
La réfraction est le brusque changement de direction que subit un faisceau de lumière lorsqu’il
rencontre la surface de séparation (ou dioptre) de deux milieux homogènes transparents : le faisceau
de lumière pénètre dans le nouveau milieu en étant dévié dans une direction particulière.
La direction du rayon réfracté dépend de la direction du rayon incident correspondant par rapport à la
normale au dioptre au point d’incidence, de la couleur de la lumière et de la nature des deux milieux.
Tout milieu peut ainsi être caractérisé par sa réfringence : lorsqu’un faisceau de lumière passe d’un
milieu moins réfringent à un milieu plus réfringent, il s’approche de la normale ; il s’en éloigne dans le
cas contraire.
En cas de réfraction, un observateur peut voir l’image d’un objet situé de l’autre côté du dioptre
déplacée par rapport à l’objet. En particulier, quand un observateur peut observer la lumière
provenant d’un point d’un objet situé de l’autre côté d’un dioptre, et que le milieu où se trouve
l’objet est plus réfringent, l’observateur a l’impression que cette lumière provient d’un point de l’image
situé plus près de la surface du dioptre que l’objet. Par contre, le point de l’image est situé plus loin
de la surface du dioptre que l’objet si celui-ci est dans un milieu moins réfringent. Ce phénomène sera
d’autant plus marqué que la trajectoire de la lumière est oblique par rapport au dioptre. De plus, à
cause du changement de la direction de la trajectoire de la lumière, le déplacement apparent est
d’autant plus marqué que l’observateur et/ou l’objet observé sont éloignés du dioptre. A nouveau, il
s’agit d’une image virtuelle, puisqu’elle ne peut être captée sur un écran. L’illustration ci-dessous
représente les déplacements apparents d’une pièce de monnaie posée dans le fond d’un aquarium
rempli d’eau, suivant que l’observateur la regarde par le dessus ou par le côté. Remarquons que si le
déplacement est suffisamment marqué, si les contours de l’objet présentent des contrastes suffisants,
on peut observer une légère décomposition chromatique des bords de l’objet : toutes les couleurs
composant la lumière émise par l’objet ne sont pas réfractées de la même manière.
25
Pour des questions techniques, nous avons généralement omis les flèches indiquant le sens de propagation
des faisceaux de lumière.
26
Cette explication a le mérite d’éviter les problèmes liés à la construction des images.
27
Une belle expérience consiste à observer au plafond l’image d’une lampe ponctuelle éclairant un miroir posé
à plat sur une table. Cette image disparaît progressivement lorsqu’on saupoudre une substance poudreuse sur
le miroir, tandis que la surface du miroir devient progressivement lumineuse.
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6
Observateur
Image de la pièce
vue du dessus
Pièce de monnaie
Image de la pièce
vue du côté
Remarquons que quand on regarde un objet à travers une vitre assez épaisse, la lumière traverse
deux dioptres parallèles. Au passage du premier dioptre, la lumière est déviée dans une certaine
direction, et elle est redéviée de la même manière, mais dans l’autre sens, au passage du deuxième
dioptre, si bien que l’objet observé apparaît déplacé. Ce déplacement est d’autant plus important que
la vitre est épaisse et que la trajectoire de la lumière est oblique par rapport aux dioptres. Par contre,
il ne change pas si on éloigne l’observateur et/ou l’objet du dioptre.
Observateur
Image de la pièce
vue à travers la
vitre
Pièce de monnaie
Par contre, quand on regarde un objet à travers un prisme, et que la lumière traverse deux dioptres
faisant un certain angle d’ouverture α entre eux, les déviations de la lumière provoquées par chaque
dioptre s’accumulent, et l’objet apparaît
fortement déplacé.
Ce phénomène
s’accentue si l’angle α augmente, ou si
on éloigne l’objet et/ou l’observateur du
prisme.
De plus, la décomposition
chromatique aux zones de contraste de
l’objet est nettement plus visible que
dans le cas d’un seul dioptre : on peut à
présent nettement observer un spectre
partiel. Ainsi, si on observe la limite
Observateur
entre une zone blanche et une zone
noire située juste en-dessous et que
l’angle d’ouverture du prisme est dirigé
vers le haut (voir illustration), le spectre
partiel qui apparaît est constitué de la
succession des couleurs rouge, orange
et jaune, en allant de la zone noire vers
la zone blanche. Par contre, si la zone
noire est située au-dessus de la zone
blanche,
l’observateur
verra
une
succession de violet, bleu et indigo, en
Observateur
partant de la zone noire.
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7
Si l’observateur regarde à présent une ligne blanche sur fond noir, les deux successions de couleur
(rouge, orange et jaune d’une part et violet, bleu et indigo d’autre part) se produisent et le jaune et
l’indigo forment du vert par synthèse additive. Les deux spectres partiels se réunissent pour former un
spectre complet d’autant plus précis que la bande blanche est étroite, et d’autant plus large que
l’observateur s’éloigne de l’objet observé28.
Notons que tous les spectres observés en regardant à travers le prisme, qu’ils soient partiels ou
complets, sont virtuels : ils sont obtenus en regardant à travers l’instrument d’optique et ne peuvent
être captés sur un écran. Pour obtenir un spectre réel de la lumière, il faut faire passer un faisceau de
lumière parallèle suffisamment intense et calibré à travers un prisme et observer l’étalement sur un
écran (voir précédemment).
La direction du rayon réfracté est déterminée par les deux lois de la réfraction :

Le rayon réfracté se trouve dans le plan formé par le rayon incident et la normale ;

La direction de la lumière se rapproche de la normale au dioptre si la lumière pénètre dans un
milieu plus réfringent, et s’en écarte si elle pénètre dans un milieu moins réfringent.
Notons que la réfraction d’un faisceau de lumière sur un dioptre s’accompagne toujours d’une
réflexion partielle.
Lorsque le faisceau vient d’un milieu plus réfringent pour aller vers un milieu moins réfringent et que
l’angle d’incidence dépasse une valeur limite, la réfraction n’est plus possible et le faisceau est
entièrement réfléchi : on parle alors de réflexion totale. En cas de réflexion totale, un observateur
ne peut voir l’image d’un objet situé de l’autre côté du dioptre.
En particulier, on peut observer un arc-en-ciel quand, faisant dos au Soleil, on regarde dans la
direction de gouttelettes de pluie. On voit apparaître une couleur précise dans certaines directions car
il s’y trouve des gouttelettes où un mince pinceau de lumière provenant du Soleil a été décomposé et
dévié en direction de l’observateur. En fait, un pinceau de lumière provenant du Soleil a été réfracté
en pénétrant dans la gouttelette, puis a subi une réflexion totale sur la paroi opposée de la gouttelette,
avant d’être une nouvelle fois réfractée en
Gouttelette
ressortant de la gouttelette pour se diriger vers
l’observateur (voir schéma). Comme pour le
d’eau
prisme, les deux réfractions provoquent, outre
Soleil
une déviation, la décomposition chromatique de
la lumière. L’aspect circulaire de l’arc-en-ciel
provient du fait que cette déviation est identique
pour chaque gouttelette. Notons qu’à nouveau,
Observateur
comme on observe directement l’arc-en-ciel en
regardant à travers un milieu précis, il s’agit
d’une image virtuelle.29
Notons que toutes les lois de la propagation de la lumière (la propagation rectiligne, la réflexion et la
réfraction) peuvent aussi être décrites par le principe de Fermat, énoncé en 1657 : La lumière se
propage entre deux points en suivant la trajectoire qui minimise le temps de parcours. 30 Le principe
28
Des spectres partiels peuvent aussi apparaître aux limites de n’importe quelle zone contrastée. Ce
phénomène souvent ignoré dans la littérature peut être assez facilement expliqué. Par exemple, si
l’observateur observe, comme dans le premier exemple cité précédemment, la limite entre une zone blanche
située au-dessus d’une zone noire à travers un prisme dont l’angle d’ouverture est dirigé vers le haut, on peut
considérer la zone blanche comme étant constituée d’une succession de bandes blanches parallèles les unes
aux autres produisant chacune un spectre complet. Ces spectres ne sont toutefois pas visibles, puisque les
couleurs provenant de bandes différentes se réunissent pour reformer du blanc, sauf à la limite entre la zone
noire et la zone blanche, où les couleurs violet, bleu, et indigo ne trouvent pas leurs complémentaires. Notons
que si l’observateur regarde une ligne noire sur fond blanc à travers le prisme, il peut observer comment le
rouge et le violet se réunissent pour former du magenta.
29
Le deuxième arc-en-ciel qu’on peut parfois observer est produit par des pinceaux lumineux subissant deux
réflexions totales avant de ressortir d’une gouttelette. Notons que le pinceau perd alors une grande partie de
son intensité, et que la décomposition est inversée.
30
Fermat s’est basé sur le principe moral disant que la nature agit toujours par les voies les plus courtes et les
plus simples, et son intuition a permis la mise en place du principe de moindre action peaufiné par Lagrange,
qui est le correspondant mécanique du principe de Fermat.
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8
de retour inverse, qui affirme que le trajet suivi par la lumière ne dépend pas de son sens de
propagation, est une conséquence du principe de Fermat.
Les lentilles
Une lentille est un milieu transparent délimité par deux surfaces sphériques (ou une surface plane et
une surface sphérique). On distingue deux grands types de lentilles, les lentilles à bords minces et les
lentilles à bords épais. On distingue deux grands types de lentilles, les lentilles à bords minces, aussi
appelées lentilles convergentes et les lentilles à bords épais, aussi appelées divergentes31.
Remarquons que les lentilles de laboratoire sont habituellement symétriques (biconvexes ou
biconcaves), tandis que les verres de lunettes sont des ménisques : une de leur face est concave et
l’autre est convexe.
Chaque faisceau de lumière qui traverse une lentille est dévié au niveau de chacune de ses faces, de
manière comparable à la déviation par un prisme, dont l’angle d’ouverture augmenterait de manière
régulière au fur et à mesure que le faisceau de lumière passe près des bords de la lentille. Ainsi, dans
les schémas ci-dessous, le faisceau B est plus fortement dévié que le faisceau A par une même
lentille : en effet, comme le faisceau B passe plus près du bord de la lentille, l’angle d’ouverture du
prisme à considérer est plus grand que dans le cas du faisceau A.
α
Faisceau A
β
Faisceau B
Axe de la lentille
Il s’ensuit qu’un faisceau de lumière est d’autant plus dévié par une lentille qu’il passe près de son
bord. Les lentilles à bords mince sont ainsi aussi appelées convergentes car les faisceaux de lumière
qui les traversent sont toujours déviés vers son axe, tandis que les lentilles à bords épais sont
divergentes car les faisceaux sont toujours déviés vers l’extérieur.
Une lentille est dite idéale si les déviations de tous les faisceaux de lumière provenant d’une même
tache lumineuse (l’objet) produisent une tache lumineuse correspondante en un autre endroit
(l’image)32. Deux types d’images peuvent se produire :
31
Source de l’illustration : http://www.spc10.fr/index.php/cours/88-quatrieme/96-lentilles
Dans la plupart des situations réelles, un point lumineux donné ne produit pas toujours un point image
précis. Pour éviter cet inconvénient appelé « aberration de sphéricité », la lentille doit être idéale, c’est-à-dire
qu’elle ne peut être trop bombée (les rayons de courbure de ses deux faces doivent être assez grands). De
plus, les faisceaux de lumière doivent être assez proches de l’axe de la lentille. Un autre inconvénient souvent
constaté est l’apparition de franges colorées sur certaines zones de l’image. Ce phénomène, appelé
« aberration de chromaticité » provient du fait que la déviation des différents rayons de lumière
monochromatique par une lentille dépend généralement de leur couleur. Ces deux phénomènes sont
observables notamment sur certains modèles de lunettes dits « à verres amincis » qui utilisent des matériaux à
indice de réfraction plus élevé (jusqu’à 1,9) que celui des verres ordinaires (1,5).
32
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9

Si la tache lumineuse image peut être captée sur un écran, on parle d’image réelle. Elle se forme
toujours de l’autre côté de la lentille par rapport à l’objet. Seules les lentilles convergentes peuvent
produire des images réelles.
Tache lumineuse
Image réelle sur l’écran

Si on peut observer la tache
lumineuse
image
en
Observateur
regardant à travers la
lentille, on parle d’image
virtuelle.
Elle se trouve
dans le prolongement des
rayons de lumière se
Image virtuelle vue
dirigeant vers l’observateur,
et se forme toujours du
à travers la lentille
même côté de la lentille que
l’objet.
Tant les lentilles
convergentes que les lentilles divergentes peuvent produire des images virtuelles.
Lorsque l’on place une lentille convergente juste devant un objet étendu et qu’on en observe l’image
virtuelle à travers la lentille en se plaçant à une distance suffisante, l’objet apparaît légèrement
agrandi. Cet agrandissement peut s’expliquer en considérant l’angle de vision ε sous lequel
l’observateur voit le visage dans le premier schéma ci-dessous33 : il correspond à l’angle formé entre
le faisceau A et le faisceau C provenant des deux extrémités du visage. Cet angle de vision est plus
grand avec la lentille que si l’observateur avait observé directement le même visage, et du même
endroit, mais en absence de lentille.
Observateur
Faisceau A
Faisceau B
ε
Faisceau C
33
Pour ne pas alourdir ces schémas, nous n’y avons représenté que des faisceaux de lumière se dirigeant vers
l’œil de l’observateur. En réalité, chaque point de l’objet émet des faisceaux de lumière dans toutes les
directions. Nous n’avons représenté l’image virtuelle que dans le premier schéma et son agrandissement est
fortement exagéré.
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10
A mesure qu’on a éloigné la lentille de l’objet, l’image a donc commencé par grandir vers l’infini, tout
en restant droite ; ensuite, si on continue à éloigner la lentille de l’objet, son image « revient de
l’infini » en position inversée, et paraît de plus en plus petite au fur et à mesure qu’on éloigne la
lentille.34 Ainsi, dans le quatrième schéma, le faisceau A vient à présent de la bouche du personnage,
tandis que le faisceau C vient de son front.
La distance objet-lentille à laquelle se produit cette inversion est caractéristique de la lentille
considérée : c’est la distance focale35. Le symbole de la distance focale est f. Son inverse 1/f est
1
appelée convergence (𝐶 = ) et se mesure en dioptries (δ) : 1 δ = 1 m-1. Par convention, la distance
𝑓
focale et la convergence sont toutes deux positives pour une lentille convergente et négatives pour
une lentille divergente. La distance focale est d’autant plus petite (proche de zéro) et la convergence
est d’autant plus importante (en valeur absolue) que les deux faces de la lentille sont courbées, c’està-dire que leurs rayons de courbure sont petits.
Comme nous le verrons plus loin, la distance focale d’une lentille convergente peut également être
mise en évidence à l’aide des rayons du soleil ou une autre source de lumière à faisceau parallèle :
c’est la distance qui sépare la lentille du point de convergence des pinceaux de lumière lorsqu’on
tente d’enflammer une feuille de papier. C’est pour cette raison que ce point de convergence est
appelé foyer de la lentille36.
Lorsque l’on place une lentille divergente juste devant un objet étendu et qu’on en observe l’image
virtuelle à travers la lentille en se plaçant à une distance suffisante, l’objet apparaît légèrement plus
petit. Cette modification dans la taille de l’image s’explique à nouveau en considérant l’angle de vision
sous lequel l’observateur voit le visage : cet angle est plus petit avec la lentille que si l’observateur
avait observé directement le même visage, et du même endroit, mais en absence de lentille.
Dans le cas d’une lentille divergente, il est impossible de produire une image réelle : l’image est
toujours virtuelle37, et d’autant plus petite qu’on éloigne la lentille de l’objet.
On peut modéliser de manière plus précise la formation des images en traçant des schémas
optiques, qui représentent la correspondance entre l’objet et l’image pour une lentille dans une
certaine configuration. Les schémas optiques se basent sur certains rayons particuliers qui sont
aisément représentables et dont l’intersection permet de déterminer le point-image A’ par rapport à un
point-objet donné A. Notons qu’on appelle « axe principal » la droite joignant les centres de courbure
des deux faces de la lentille, et « centre optique O » le point d’intersection de la lentille avec l’axe
principal.
34
Cette image renversée correspond en fait à l’image réelle car on pourrait la capter sur un écran.
Il faut pour cela que l’observateur soit situé « à l’infini » (en pratique, à grande distance de la lentille).
36
L’énergie lumineuse est très concentrée au foyer, et peut suffire à enflammer un objet. Pour cette raison, il
est déconseillé d’abandonner des fragments de verre dans la nature (risques d’incendie en été́) et il est
dangereux de regarder le Soleil à travers une lentille convergente !
37
Cette image est visible pour l’observateur, mais ne peut pas être captée par un écran.
35
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11
Dans le cas d’une lentille à bord mince, les rayons particuliers obéissent aux règles suivantes :

Un rayon parallèle à l’axe principal se réfracte en convergeant vers un point de l’axe principal
situé à l’arrière de la lentille, appelé foyer-image F’. La distance entre le centre optique de la
lentille et le foyer-image correspond à la distance focale f.

Un rayon passant par le foyer-objet F, point symétrique de F’ par rapport à la lentille, et également
situé à la distance focale de la lentille, se réfracte parallèlement à l’axe principal.

Un rayon passant par le centre optique O n’est pas dévié. 38
Lentille convergente
A
f
Rayons particuliers
F’
F
Axe principal
f
O
A’
Les caractéristiques de l’image d’un objet dépendent de sa position par rapport à la lentille. Soit 2F
(2F’) le point situé à deux fois la distance focale et du même côté que F (F’) de la lentille. Ainsi, pour
une lentille convergente :

L’image d’un objet situé au-delà de 2F est réelle, renversée, plus petite, et située à l’arrière de la
lentille entre F’ et 2F’. Plus on éloigne l’objet de la lentille, plus l’image s’approche de F’.
A
2F’
F’
2F

2f
F
f
O
A’
L’image d’un objet situé sur 2F est réelle, renversée, de même taille, et située à l’arrière de la
lentille en 2F’.
A
F’
2F
2f
F
f
2F’
O
A’
38
En réalité, aucune lentille n’est vraiment idéale : dès que le rayon n’est pas parallèle à l’axe principal, il est
dévié deux fois (une fois en entrant et une fois en sortant de la lentille) de telle manière qu’il reprend la même
direction, tout en étant simplement déplacé, comme s’il était passé par une lame à faces parallèles. Une
lentille sera donc d’autant plus « idéale » que ce déplacement est négligeable si le rayon est proche de l’axe
principal, ce qui est le cas si la lentille a des courbures assez grandes (grande distance focale) et n’est pas trop
épaisse. Pour de telles lentilles, on dit aussi qu’on peut faire l’approximation des lentilles minces.
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12

L’image d’un objet situé entre F et 2F est réelle, renversée, plus grande, et située à l’arrière de la
lentille au-delà de 2F’. Plus on approche l’objet de F, plus l’image s’éloigne de la lentille.
A
F’
2F
2f
F
f
2F’
O
A’

L’image d’un objet situé entre O et F est virtuelle, droite, plus grande, et située à l’avant de la
lentille. Plus on approche l’objet de F, plus l’image s’éloigne de la lentille.
A’
A
F’
2F
2f
F
f
2F’
O
Dans le cas d’une lentille à bord épais, les rayons particuliers obéissent aux règles suivantes :

Un rayon parallèle à l’axe principal se réfracte en divergeant comme s’il provenait d’un point de
l’axe principal situé à l’avant de la lentille, appelé foyer-image F’. La lentille à bords épais est ainsi
appelée lentille divergente.

Un rayon dont le prolongement passe par le foyer-objet F, point symétrique de F’ par rapport à la
lentille, se réfracte parallèlement à l’axe principal.
 Un rayon passant par le centre optique O n’est pas dévié.
L’image d’un objet par une lentille divergente est toujours virtuelle, droite, plus petite, et située à
l’avant de la lentille entre O et F’. Plus on éloigne l’objet de la lentille, plus l’image s’approche de F’.
A
A’
F’
-f
F
O
Les plus anciennes lentilles connues datent de 4000 ans avant notre ère ; elles furent découvertes
dans les ruines de l’antique ville assyrienne de Ninive (on ignore quel fut leur usage à l’époque). Au
début de notre ère, les lentilles furent utilisées pour concentrer les rayons du soleil (« verre à feu ») ou
pour corriger la vue de citoyens fortunés. Ce n’est qu’au 13ème siècle que les lunettes correctrices se
généralisent dans le grand public. De nos jours, de nombreux instruments d’optique appliquent les
propriétés des lentilles. Par exemple :
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13

L’appareil photographique comporte essentiellement39 une lentille convergente et l’objet forme
une image réduite, réelle et renversée.

Le projecteur (de dia, ou vidéo) comporte essentiellement une lentille convergente ; l’objet forme
une image agrandie, réelle et renversée.

La loupe est formée d’une lentille convergente ; l’objet forme une image agrandie, virtuelle et
droite.
Parmi les applications des lentilles, mentionnons également la lunette astronomique, les jumelles et
télescopes, les verres correcteurs, la caméra, le microscope, …
L’œil peut aussi être considéré en soi
comme un instrument d’optique : quand
on observe un objet, la lumière pénètre
dans l’œil en traversant plusieurs
milieux transparents (cornée, humeur
aqueuse, cristallin, humeur vitrée) qui
jouent le rôle d’une lentille convergente.
Selon la distance à laquelle se trouve
l’objet, le cristallin adapte sa courbure
de manière à former une image nette
sur la rétine.
La rétine capte les
faisceaux de lumière et les transforme
en impulsions nerveuses qui seront
décodées par
le cerveau. Les
paupières, outre leur rôle de protection
et d’humidification de la cornée,
contribuent à réguler la quantité de
lumière entrant dans l’œil. La pupille joue également ce rôle : elle se dilate en faible luminosité pour
augmenter la quantité de lumière entrante, et se contracte en forte luminosité pour la diminuer.
Un œil normal au repos forme naturellement sur la rétine l’image d’un objet éloigné. Si on rapproche
l’objet, l’image se déplace vers l’arrière et le cristallin doit se bomber pour augmenter sa courbure et
ramener l’image sur la rétine: c’est l’accommodation40. Toutefois, les photorécepteurs, disposés
perpendiculairement à la rétine, ont une certaine longueur (environ 0,06 mm), et la bonne perception
de l’image est assurée pourvu qu’elle soit nette à un endroit quelconque des photorécepteurs. C’est
pour cela qu’on peut percevoir de manière nette et quasi simultanée des objets se trouvant à
différentes distances, pourvu qu’ils soient assez éloignés (à plus de 5 m environ).
L’image sur la rétine est toujours réelle, renversée et plus petite que l’objet. Remarquons que l’œil ne
peut distinguer un angle de moins d’une minute d’ouverture, ce qui correspond à un objet d’une taille
de 0,07 mm situé à une distance de 25 cm. Comme le globe oculaire normal a un diamètre de 23
mm, son image sur la rétine est près de 10 fois plus petite que l’objet et mesure alors 0,007 mm : elle
ne peut être captée que par un seul photorécepteur.
Comme la zone de netteté maximale de la rétine, la fovéa, ne mesure que quelques dixièmes de
millimètres, on ne peut vraiment voir simultanément de manière parfaitement nette qu’une petite
fraction des objets observés. Ainsi, si on observe une latte située à une distance de 1 m, on n’en
distingue nettement qu’une portion de 1,2 cm 41. Par contre, le champ visuel, qui englobe l’ensemble
des objets pouvant être perçus (sans devoir nécessairement être nets) par un œil immobile dépend de
la luminosité, de la dimension et des couleurs des objets observés. Pour chaque œil, en vision
monoculaire42, il peut s’étendre d’environ 60° du côté du nez et aller jusqu’à plus de 90° de l’autre
39
En réalité, la plupart des instruments d’optique comportent des lentilles additionnelles correctrices.
Quand la courbure du cristallin augmente, sa distance focale diminue et sa convergence augmente. Notons
que l’accommodation s’accompagne de la modification de l’orientation relative des deux yeux, dans la mesure
où ils regardent un même objet : c’est la vision stéréoscopique. L’accommodation et la vision stéréoscopique
permettent tous deux au cerveau d’apprécier la distance à laquelle se situe l’objet.
41
Et si l’on fixe un mot dans un texte (par exemple le mot modification dans la note ci-dessus, on constate que
l’on ne peut pas voir distinctement tous les mots voisins (par exemple de mot orientation qui le suit), raison
pour laquelle il faut déplacer constamment les yeux en lisant. Notons qu’en vision nocturne, le champ de
vision est plus large qu’en vision diurne.
42
Source de l’illustration (libre de droits): https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Champ_vision.svg , page
consultée le 22 mars 2016.
40
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14
côté. En utilisant les deux yeux, la zone de vision binoculaire a donc une amplitude horizontale
d’environ 120°, et augmente à plus de 180° en vision monoculaire 43.
Plusieurs défauts de la vision peuvent être assez facilement corrigés par des lentilles appropriées :

La myopie est un défaut lié à un œil trop long ou un cristallin trop convergent, l’image se formant
à l’avant de la rétine. Elle peut être corrigée par une lentille divergente 44.

L’hypermétropie est un défaut lié à un œil trop court ou un cristallin pas assez convergent,
l’image se formant à l’arrière de la rétine. Elle peut être corrigée par une lentille convergente.

La presbytie est un défaut d’accommodation du cristallin, survenant avec l’âge. En particulier, la
distance de netteté la plus proche, appelé punctum proximum, augmente inexorablement avec
l’âge45. Elle peut être corrigée par une lentille convergente pour la vision de près.
43
En utilisant un des deux yeux à la fois.
Selon une étude publiée dans The Lancet en 2012, l’épidémie de myopie qui frappe actuellement la planète
(plus de 80% des jeunes diplômés en Asie orientale) serait liée au fait que les enfants et les jeunes passent de
moins en moins de temps dehors. L’exposition de la rétine à la lumière naturelle induit en effet la production
de dopamine, un neurotransmetteur qui limite la croissance de l’œil. Pour éviter les yeux trop longs, et donc
myopes, sortons les enfants…
45
La distance de netteté la plus proche passe d’environ 7 cm à l’âge de 5 ans à 100 cm à 70 ans, et est en
moyenne multipliée par trois entre 40 et 50 ans.
44
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15
Quelques références supplémentaires

Site du Bureau international des poids et mesures : Unité d'intensité lumineuse (candela) Sur
le site bipm.org - Consulté le 10 avril 2012
 Physique 3ème, D. Sculier et D. Waterloo, De Boeck, 2010
o La propagation de la lumière et les couleurs
 Les fiches professeur et les fiches élèves accompagnant la mallette didactique « Photonics
Explorer » : http://www.eyest.eu/Programs/Photonics-Explorer
o
La propagation de la lumière et les signaux lumineux
o
Les couleurs de l’arc-en-ciel et la synthèse des couleurs
 L’étrange univers des illusions d’optique, G. A. Sarcone et al, Fleurus, 2011
o Mise en évidence des limites de la perception oculaire
 Cahier d’exploration du ciel I, Découvrir l’Univers, Yaël Nazé, Réjouisciences, ULg, 2009
 Cahier d’exploration du ciel II, Mesurer l’Univers, Yaël Nazé, Réjouisciences, ULg, 2012
o Deux cahiers à la fois ludiques et didactiques, conçus par l’astrophysicienne liégeoise.


Optique, J.-F. Lambert, Editions MPC, Kraainem, 1993
Optique, A. Meessen, Cabay, 1984
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