Chapitre II-1 La lumière

Chapitre II-1 La lumière
A- Quelques définitions
Lumière :
« Agent physique capable d'impressionner la rétine de l'oeil. »
Optique :
« Branche de la physique qui étudie la lumière et les phénomènes s’y rattachant. »
·opt.géométrique : Étude de la formation des images par des miroirs et des lentilles, basée sur la propagation rectiligne de la lumière.
·opt.physique : Étude de la nature et du comportement de la lumière, par les
modèles corpusculaire et ondulatoire.
On étudie la propagation de la lumière surtout par le
modèle ondulatoire : la lumière est une onde comme
toutes celles du spectre électromagnétique (ondes
radios, les infra-rouges ou les rayons X...).
·optique quantique : Étude de l'interaction entre la lumière et les particules
atomiques de la matière.
On étudie l'interaction entre la lumière et la matière
surtout par le modèle corpusculaire : la lumière est faite
de corpuscules appelés QUANTA ou PHOTONS.
Catoptrique: « Partie de l’optique étudiant la réflexion de la lumière. »
Dioptrique : « Partie de l’optique étudiant la réfraction de la lumière. »
B- Caractéristiques de la lumière
1)
Propagation de la lumière
a)
La lumière se déplace en ligne droite.
Rayon lumineux :
a)
b)
c)
d)
La lumière se déplace en ligne droite.
La lumière peut être déviée.
La lumière peut passer à travers des objets.
La lumière se déplace très vite.
« Trajet rectiligne d'une radiation lumineuse visible à partir d'un point de
la source. »
Un faisceau lumineux est un
ensemble de rayons lumineux.
parallèle
divergent
convergent
Ex(1) : Sténoscope (inventé au XVIe siècle)
Observations:
L’image est
.
Lorsque le sténopé est gros, l’image est
et
.
Lorsque le sténopé est petit, l’image est
et
.
g : grandissement
hi : hauteur de l’image
ho : hauteur de l’objet
q : distance image-sténopé
p : distance objet-sténopé
b)
La lumière peut être déviée :
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c)
La lumière peut passer à travers des objets
Opaque : « Se dit d’un objet qui
le passage de la lumière. »
Transparent : « Se dit d’un objet que la lumière
sans être diffusée : on
peut donc reconnaître les objets situés de l’autre côté. »
Translucide : « Se dit d’un objet que la lumière
en étant
ne peut pas reconnaître ce qui est de l’autre côté. »
: on
Absorption : « Diminution progressive de l’intensité du faisceau traversant un milieu
transparent quelconque. »
Ombres et pénombres
Lumière ambiante :
d)
« Lumière provenant de toutes les directions avec la même intensité.
Elle est constante partout et sans ombre. »
La lumière se déplace très vite
c = 3,00 x 108 m/s
Lecture :
p.150-152 (6.1)
Feuille II-1 # 1-2, 11-14
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2)
Couleur
a)
Longueur d’onde et fréquence
La caractéristique principale des ondes lumineuses est leur longueur. (p.2)
c : vitesse de la lumière (m/s)
ë : longueur d'onde (m)
f : fréquence (Hz)
Ex(1) : Quelle est la fréquence d’une radiation dont la longueur d’onde est de 625 nm ?
Ex(2) : Quelle est la longueur d’onde d’un photon dont la fréquence est de 6,8 × 1014 Hz ?
De quel type de rayonnement s’agit-il ?
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Polychromatique :
Ex(1) :
« Se dit d’un rayon lumineux formé de radiations ayant différentes
longueurs d'onde et donc différentes
.»
On décompose la lumière blanche en
utilisant un prisme de verre. (p.53)
· La
lum ièr e
b l anc he
est
polychromatique. Un rayon de
lumière blanche est formée de toutes
les couleurs visibles formant un
dégradé continu du rouge au violet (rouge - orange - jaune - vert - bleu (indigo) - violet).
Dans un arc-en-ciel, les gouttes d'eau jouent le rôle du prisme. (p.54)
Dispersion : «
Monochromatique :
causée par la réfraction de la lumière. »
« Se dit d’un rayon lumineux formé de radiation d'une seule longueur
d'onde et donc d’une seule
.»
Ex(2) : Il n’y a pas de séparation de couleur
d’un rayon monochromatique
traversant un prisme. Le rayon
transmis a la même couleur.
b)
Perception des couleurs: synthèse additive
des couleurs
Les couleurs ne sont pas des réalités et n'existent pas en tant que telles. Elles ne sont que la
manière que le cerveau humain perçoit la réalité d'une longueur d'onde particulière.
La rétine de l’oeil est composée de bâtonnets et
de cônes (Page 60-61). Ces derniers sont de
trois types. Chaque type est sensible à une
région du spectre lumineux bien définie: bleu,
vert et rouge. Ces trois couleurs sont appelées
couleurs primaires.
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Ex(1) : Un rayon monochromatique jaune parvient à un oeil d'une personne. Quelle couleur
sera perçue par la personne ?
Un rayon formé de jaune, d’un peu de vert et d’un peu d’orange parvient au même oeil.
Quelle couleur est perçue ... ?
Un rayon formé de vert et de rouge parvient encore à cet oeil. Quelle couleur est
perçue ... ?
ÿ
c)
L’oeil n’est pas capable de distinguer un rayon monochromatique d’un rayon
polychromatique. Pour faire la distinction, il faut tenter de disperser la lumière.
L’oeil perçoit le résultat de toutes les couleurs qui lui parviennent.
Peinture et filtres: synthèse soustractive des couleurs
Ex(1) : ÿ
ÿ
Un objet noir
et
.
Un objet blanc
et
.
ÿ
ÿ
est opposé à
Un objet jaune absorbe presque tout, ne laissant repartir que
.
ÿ
Un filtre jaune absorbe presque tout, n’étant traversé que par
.
Ex(2) :
Un chandail rouge est éclairé par de la lumière bleue. De quelle couleur le verra-t-on ?
Lecture:
Exercices
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p.52-63 (3.3)
La perception des couleurs (page web)
p.83 # 2-13,16
Feuilles II-1 # 3-10
C- Phénomènes lumineux
1)
Émission de lumière
Tous les phénomènes où il y a émission lumineuse sont liés aux mouvements des électrons sur les
couches électroniques entourant les atomes. Le principe est toujours le même : des électrons
passant d’une couche supérieure à une couche inférieure causent l’émission d’une radiation dont
la longueur d'onde (et donc la couleur) dépend de l'énergie libérée.
Ce qui change d'une méthode à l'autre, c'est la façon par laquelle l'électron obtient l'énergie lui
permettant au préalable de monter de niveau.
Incandescence : « État d’un corps rendu lumineux par
.»
Luminescence : « Émission de lumière par un corps
.»
La cause de l’émission de lumière provoquée par ...
... bioluminescence est
... cathodoluminescence est
... chimiluminescence est
... électroluminescence est
... photoluminescence est
... radioluminescence est
... sonoluminescence est
... thermoluminescence est
... triboluminescence est
Fluorescence :
« Luminescence d'une substance (solide, liquide ou gaz) due à une transition
spontanée des molécules, d'un état excité vers l'état fondamental. »
...c’est à peu près la même chose que la photoluminescence.
Phosphorescence : « Propriété qu'ont certains corps d'émettre, sous l'excitation d'un
rayonnement (visible ou non) et sans dégagement sensible de chaleur, un
rayonnement de plus grande longueur d'onde (photoluminescence), même après
suppression de l'excitation. »
...la différence entre les deux est que lors de la fluorescence, l’émission de
lumière suit
l'excitation des atomes, alors que pour la
phosphorescence,
sépare l'excitation de l'atome de l'émission de lumière.
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2)
Éclairage domestique
Ampoule à incandescence (ampoules classiques)
Un filament de tungstène poli où passe un courant électrique est chauffé jusqu'à une température d'environ 2600EC. Malgré la présence d'un gaz inerte (Ar ou Kr), un peu de tungstène
situé à la surface du filament sublime et se dépose à la surface intérieure de l'ampoule.
L'ampoule noircit et le filament s'amincit. Éventuellement, il brise : l'ampoule « brûle ».
Lampe à halogène (ampoules halogènes)
On ajoute dans l'ampoule à incandescence un peu de gaz halogène, en général fluor, brome
et iode. Le tungstène déposé sur le verre de l'ampoule se combine au gaz halogène et ces
produits reviennent au filament en y rapportant les atomes de tungstène. Ainsi, l'ampoule
halogène dure plus longtemps et noircit très peu. On peut également la faire fonctionner à une
température supérieure (3000EC), produisant proportionnellement plus de lumière (et d'une
couleur plus naturelle) pour une puissance consommée équivalente.
Lampe à décharge (lampadaires, éclairage de gymnase, flash, lampse de projecteurs...)
Cette lampe utilise l'électroluminescence des gaz. L'excitation des atomes de gaz est due au
choc d'électrons rapides. Ces électrons sont d'abord libérés d'une cathode par chauffage (ou
par l'impact d'ions positifs résultants de collisions antérieures) et accélérés par une tension
électrique.
Tube fluorescent (tubes « néon », ampoules fluorocompacts...)
Tube à décharge à vapeur de mercure. Les rayons UV produits par la décharge du mercure
excite la poudre qui tapisse l'intérieur du tube et produit de la lumière par photoluminescence.
La couleur émise dépend surtout de la nature de la substance photoluminescente: vert pour le
silicate de zinc, rose pour le borate de cadmium...
Diode électroluminescente (ampoules DEL, LED en anglais)
Deux zones sont séparées par un semi-conducteur. Sous une faible tension, une des zones
se charge en électrons et l’autre en «trous» (manque d’électrons). En se recombinant, les
électrons et les trous émettent un photon.
À l'heure actuelle, l'éclairage par DEL commence à être intéressant. On s’en sert comme
feux de signalisation automobile (clignotant, veilleuses, feux de position), DEL noyées dans le
bitume pour la matérialisation des pistes d’aéroports la nuit ou par temps de brouillard,
signalisation portative individuelle (piéton, cycliste) ou éclairage de courte portée portatif.
Évidemment, on s’en sert comme voyant lumineux. Enfin, il commence à y avoir de nombreux
types d’ampoule de type DEL pour l’éclairage domestique.
( http://www.led-fr.net/led.htm )
(Type-éclairage)
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Sources modernes d’éclairage
Lampe DEL
Lampe
incandescente
Lampe à
fluorescence
Lampe au
sodium
Prix
Moyen à Élevé
Faible
Durée de vie
( x1000 h)
50 à 100
1
10 à 20
Échauffement
Inexistant
Important
Moyen
Solidité
Très bonne
Mauvaise
Flux lumineux (lm)
2 à 800
Plusieurs centaines
Taille
Faible
Petite à Moyenne
Rendu des couleurs
Moyen à Bon
Excellent
Mauvais à bon
Mauvais
Excellent
Mauvais à bon
Utilisation
Voyants
Éclairage
domestique
Éclairage
domestique
Éclairage public
et domestique
Éclairage urbain
Éclairage
domestique
Éclairage
urbain
Halogène
Mercure
12 à 22
2à4
16 à 20
Élevé
Élevé
Moyen
Moyen
Moyenne à grande
Petite à Moyenne Moyenne à grande
Petit historique des connaissances en optique (pas à apprendre, mais à découvrir avec émerveillement)
PYTHAGORE de Samos (VIe siècle avant JC), grec
Affirme que la lumière est faite de particules se dirigeant de l’oeil VERS
l’objet à percevoir.
PARMÉNIDE (IVe siècle avant JC), grec
La partie brillante de la Lune est toujours orientée vers le Soleil. La
lumière provient donc du Soleil et donc se déplace.
ARISTOTE le stagirite (IVe siècle avant JC), grec
La lumière se déplace comme une vague.
HÉRON d’Alexandrie (1er siècle), grec
Écrit la Dioptre (description d’un instrument de mesure utilisé pour le
nivellement et pour des observations terrestres et astronomiques) et la
Catoptrique (théorie de la vision et de la réflexion sur des miroirs)
Claudius PTOLÉMÉE (v.90-v.168), grec
Écrit l’Almageste, exposé de l’Univers géocentrique
Construction d'instruments divers (dont astrolabe)
Traité d'optique: lois de la réflexion et étude de la réfraction. L'oeil est
émetteur de lumière et se dirige vers l'objet à percevoir
Muhammad AL-KHWÂRIZMÎ (783?-850), perse
Premier manuel d'arithmétique basé sur le principe de position (dont le
principe de la règle de trois et l'extraction des racines carrés).
Précis sur le calcul de al-jabr (complément) et al-muqâbâlâ (réduction)
Tables astronomiques comportant les premières tables de sinus du
monde arabe.
Abû ibn Al-Haytham, dit ALHAZEN (965-1039), perse Analyse le phénomène de réfraction atmosphérique.
Traité d'optique qui donne une des cription exacte de l'oeil.
Il est le premier à parler de rayon lumineux.
Il découvre l’aberration sphérique et la seconde loi de la réflexion (celleci s’applique également à la réfraction).
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Roger Bacon (1214-1294), anglais
Un des fondateurs de la méthode scientifique (...tout repose sur
l’expérience)
Il affirme, à la suite d'un orage, que la lumière va plus vite que le son.
Giambattista DELLA PORTA (1538-1615), italien
1586, Magia Naturalis : premier traité complet sur les lentilles
On lui attribue la découverte de la lunette d’approche.
Johannes KEPLER (1571-1630), allemand
1604, publication de son traité d'optique: découverte que la réfraction
atmosphérique agit de la même façon pour tous les astres.
1605-1618, élaboration des trois lois du mouvement orbital.
Galileo Galilei, dit GALILÉE (1564-1642), italien
Il est le premier à tenter de mesurer la vitesse de la lumière : expérience
des lanternes au sommet des collines.
1609, il est le premier à se servir d’un instrument optique (la lunette)
pour observer le ciel : découverte des cratères et montagnes lunaires,
des satellites de Jupiter et des phases de Vénus.
Willebrod SNELL (1580-1626), hollandais
1620, il découvre expérimentalement la loi de la réfraction de la lumière
(Loi de Snell-descartes).
René DESCARTES (1596-1650), français
Discours de la méthode et Dioptrique. Géométrie analytique.
Déduit la loi de la réfraction à partir de la théorie corpusculaire de la
lumière.
Francesco GRIMALDI (1618-1663), italien
1660, il prouve expérimentalement la diffraction de la lumière
Isaac NEWTON (1642-1727), anglais
1672, invention du télescope.
1675, théorie des couleurs dans Opticks : la lumière blanche est faite de
toutes les couleurs.
1687, publication de Philosophiae naturalis principia mathematica.
1704, théorie corpusculaire de la lumière.
Olaüs RÖMER (1644-1710)
1676, il évalue la vitesse de la lumière à l'aide des occurrences de Io
autour de Jupiter. Il obtient 2,3×108 m/s mais juge cette valeur trop
élevée.
Christian HUYGENS (1629-1695), danois
1678, théorie ondulatoire de la lumière : il explique la réfraction de la
lumière en disant que la lumière va moins vite dans l'eau que dans le
vide (confirmé plus tard par les travaux de Léon Foucault).
Thomas YOUNG (1773-1829), anglais
1801, il montre que la lumière peut créer des figure d’interférence,
démontrant ainsi sa nature ondulatoire.
Hippolyte FIZEAU (1819-1896), français
1849, première mesure précise de la vitesse de la lumière (roue
dentée).
Léon FOUCAULT (1819-1868), français
Démontre la rotation de la Terre sur elle-même en utilisant un long
pendule.
Invention de la lentille achromatique
1862, mesure la vitesse de la lumière (miroir tournant). Il montre que la
lumière se déplace moins vite dans l’eau que dans l’air.
Albert MICHELSON (1852-1931), américain
Invention de l’interféromètre, permettant de mesurer des grandeurs
physiques avec une grande précision. En 1887, l’expérience de
l’interféromètre, aide à prouver que l’éther spatial n’existe pas.
1883, 1926, mesure de la vitesse de la lumière par miroir tournant(Nobel
1907)
Albert EINSTEIN (1879-1955), allemand
Théorie de la relativité restreinte (1905) et générale (1919) : la lumière
peut-être déviée par un champ gravitationnel.
Explication de l’effet photoélectrique (Nobel 1921)
Louis de BROGLIE (1892-1987), français
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1923, toute matière est associée à une onde et un corpuscule... cela
conduira au microscope électronique (Nobel 1929).