La lumière
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LA LUMIÈRE LES DIFFÉRENTS TYPES DE LUMIÈRE. On distingue 2 types de sources de lumière : - Les sources primaires = Soleil, bougies, lampe à incandescence, tube fluorescent … Elles produisent la lumière qu’elles émettent. Les éclairages artificiels tendent à produire une lumière la plus voisine possible de celle du Soleil (lumière blanche) afin que notre perception des couleurs se rapproche le plus possible de celle de la lumière du jour. - Les sources secondaires = la Lune, le ciel, les planètes, l’écran d’un projecteur… Elles absorbent la lumière produite par une source primaire et la diffusent. La lune et les planètes du système solaire ne produisent aucune lumière. Elles renvoient en partie la lumière qu’elles reçoivent du Soleil. Ces différentes sources peuvent être des sources ponctuelles ou des sources étendues. LA LUMIÈRE DU SOLEIL. Si on décompose la lumière du Soleil à l’aide d’un prisme ou d’un réseau, on obtient le spectre de la lumière solaire. La lumière du soleil est en fait composée d’une multitude de lumières colorées : les radiations. Ce spectre est qualifié de « continu » car le passage d’une couleur à l’autre se fait progressivement. Elles se classent en six « catégories » : le violet, le bleu, le vert, le jaune, l’orange et le rouge. Le mélange de toutes ces radiations est perçu comme une lumière blanche par notre œil. Chacune des radiations est caractérisée par une longueur d’onde ( λ ). Les radiations visibles par un œil humain ont des longueurs d’onde dans le vide comprises entre 400 nm et 800 nm. nm = nanomètre = 10⁻⁹= un milliardième de mètre. Les radiations ayant des longueurs d’onde inférieures à 400 nm ne sont pas visibles pour un œil humain mais sont néanmoins familières : les ultra-violets (= lumière noire), les rayon X, les rayons gamma ( y). Les radiations ayant des longueurs d’onde supérieures à 800 nm nous sont elles aussi invisibles mais utiles : les infrarouges, les micro-ondes, les ondes hertziennes. Les lumières comportant plusieurs radiations sont dites polychromatiques. Celles comportant une seule radiation sont dites monochromatiques. L’ARC EN CIEL. = réfléchissement de la lumière du Soleil sur les gouttes d’eau d’un nuage. Ce phénomène provient de la séparation des différentes composantes colorées qui constituent la lumière blanche. L’arc-en-ciel fait apparaître le spectre lumineux de la lumière blanche, composé d’une infinité de nuances colorées variant progressivement du rouge au violet. Si on recompose ces couleurs on retrouve la sensation de blanc. Ceci peut être réalisé avec le disque de Newton en coloriant un disque de carton avec les six couleurs de l’arc-en-ciel et en le faisant tourner rapidement, on obtient, grâce à la pertinence rétinienne, une superposition visuelle des six couleurs qui se traduit par la perception du blanc ou du gris clair. Qu’elle est la nature de la lumière ? On appelle communément « lumière » le rayonnement auquel notre œil est sensible. La lumière visible fait partie de la famille de rayonnements appelés « ondes électromagnétiques ». Ces rayonnements sont de même nature et ne se différencient que par leurs fréquences (Hz) ou leurs longueurs d’onde. Les ondes électromagnétiques DÉTECTEURS DE LUMIÈRE ET PROPAGATION. Les détecteurs de lumière. Les détecteurs de lumière sont les corps qui réagissent à la lumière. On les classe en 3 grandes catégories : - L’œil humain : il reçoit les rayons lumineux qui traversent une succession de milieux transparents et viennent impressionner la rétine. Par l’intermédiaire, des fibres nerveuses formant le nerf optique, les cellules de la rétine (cônes et bâtonnets) transmettent au cerveau un influx nerveux. - Les détecteurs photochimiques : ce sont des substances chimiques qui réagissent sous l’action de la lumière (ex : les sels d’argent des pellicules photographiques qui noircissent sous l’effet de la lumière). - Les détecteurs photoélectroniques : ce sont des composants électroniques (photodiodes, photorésistances, phototransistors, photopiles…) qui ont un comportement qui dépend de la lumière reçue. Les appareils photographiques et les caméscopes par exemple utilisent ces composants. Processus de vision des objets. Lorsqu’on regarde un objet éclairé par une quelconque source de lumière, notre œil reçoit de la lumière renvoyée par chaque point de l’objet. Cet ensemble de rayons lumineux rentre par la pupille et va former sur la rétine un ensemble de point plus ou moins lumineux constituant l’image de l’objet, analysée par le cerveau. Propagation de la lumière. Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite et à vitesse constante. La vitesse de propagation de la lumière est toutefois différente selon le milieu. Elle est très proche de 300 000 km/s dans le vide (299 792 458 m/s) et a quasiment la même valeur dans l’air. Elle est moins élevée dans les milieux transparents denses. Elle est de 255 000 km/s dans l’eau et de 200 000 km/s dans le verre. On appelle indice (n) d’un milieu le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et la vitesse de la lumière dans le milieu (v). n = c/v La propagation n’est rectiligne que si le milieu est homogène. Si sa trajectoire est modifiée la rencontre entre lumière et matière peut donner lieu à différents phénomènes : - L’absorption : la lumière est absorbée par la matière qui va alors s’échauffer. - La réflexion : la lumière est déviée et renvoyée dans une autre direction. - La diffusion : la lumière est renvoyée dans toutes les directions. - La transmission : la lumière traverse la matière et continue de se propager. - La réfraction : la lumière est déviée lors du passage d’un milieu à un autre d’indice différent (ex : passage air/eau ; passage air/verre). - La diffraction : la lumière est déviée sans qu’il y ait réflexion ou réfraction (passage d’une fente). - La dispersion : une lumière polychromatique est dispersée quand les différentes radiations qui la composent sont séparées (prisme, réseau, bulles de savon…). La lumière permet aussi de distinguer les corps : - Transparents : s’ils transmettent la lumière sans la diffuser. - Opaques : Ils diffusent et/ou réfléchissent la lumière. Le phénomène de transmission est inexistant ou très faible (un miroir est un corps opaque réfléchissant). - Translucides : s’ils diffusent la lumière qui les traverse ou qu’ils renvoient. Ombre et pénombre. Un objet opaque placé devant une source ponctuelle empêche la propagation de la lumière de cette source dans tout le volume d’espace situé derrière lui. On distingue : - L’ombre propre de l’objet (sa partie non éclairée par la source). Ex : la nuit correspond à l'ombre propre de la Terre. - L’ombre portée par l’objet sur un écran (ou tout autre surface). Ex : l’ombre d’une personne ou d’un objet éclairé par le Soleil est une ombre portée. - Le cône ou la zone d’ombre, projetée par l’objet. L’ombre ne nous apparaît pas complètement noire. En fait la zone correspondant à l’ombre ne reçoit pas de lumière directe mais elle reçoit malgré tout de la lumière indirecte diffusée par tous les objets environnants et éventuellement le ciel. Ainsi, l’ombre n’est pas une absence de lumière mais un déficit de lumière. Ce n’est dans le vide de l’espace que les zones d’ombre sont réellement noires. Exemple d'utilisation des propriétés de propagation de la lumière : la chambre noire. SYNTHÈSE ADDITIVE ET SOUSTRACTIVE DES COULEURS. 1- SYNTHÈSE ADDITIVE. Consiste à ajouter les différentes composantes de la lumière blanche afin d’obtenir d’autres lumières colorées. Ex : lumière bleue + lumière verte = lumière cyan (bleu turquoise) lumière rouge + lumière bleue = lumière magenta (rose fuschia) lumière rouge + lumière verte = lumière jaune. Le rouge, le bleu et le vert sont les couleurs primaires de la synthèse additive et leur mélange, à quantités égales, donne une lumière blanche. En jouant sur les proportions on peut reconstituer n’importe quelle couleur. Ces propriétés sont la base du fonctionnement des écrans de télévision et d’ordinateur. Leurs écrans sont constitués d’une multitude de petits points appelés « pixels ». Chaque pixels comprend trois pastilles (une bleue, une rouge, une verte) appelées « luminophores » qui peuvent reconstituer toutes les couleurs. L’œil, placé à une certaine distance de l’écran, ne perçoit pas ces pastilles individuellement mais perçoit le mélange de lumières émises par celles-ci. Deux couleurs sont dites complémentaires si leur mélange en synthèse additive donne du blanc. Jaune et bleu ; magenta et vert ; cyan et rouge. 2- SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE. Permet de reconstituer une couleur par soustraction de certaines parties de la lumière blanche. Les couleurs sont inversées par rapport à celles de la synthèse additive. Ici, les trois couleurs primaires sont le cyan, le jaune et le magenta. Que se produit-il lorsque la lumière blanche traverse un filtre coloré ? Quand la lumière blanche traverse un filtre coloré, seule la couleur de la lumière identique à celle du filtre va pouvoir traverser le filtre. Toutes les autres couleurs de la lumière blanche vont être absorbées par le filtre. Ex 1 : Contrairement aux idées reçues, ce n’est pas le filtre qui a coloré la lumière blanche en rouge. Il lui a simplement soustrait toutes ses radiations autres que le rouge. Un filtre laisse passer toutes les radiations correspondant à sa couleur et absorbe les autres. Ex 2 : Si on interpose un filtre de couleur cyan sur le trajet de la lumière blanche, celui-ci va laisser passer les radiations correspondant à sa couleur (le vert et le bleu) et absorber toutes les autres (ici rouge). Ex 3 : On interpose deux filtres. Un cyan, un jaune. Ce résultat est bien connu en peinture : bleu + jaune = vert Couleur des objets. Quand de la lumière blanche arrive sur les différentes radiations, les différentes radiations colorées sont plus ou moins absorbées ou renvoyées par ce dernier. Si ce sont les radiations rouges qui sont renvoyée, alors l’objet nous apparaît rouge. Si le matériau n’absorbe que le rouge, alors l’objet nous apparaît de la couleur complémentaire du rouge: le cyan (mélange du vert et du bleu). Un matériau qui absorbe toutes les couleurs paraît noir. Un matériau qui renvoie toutes les couleurs apparaît blanc.
