3 sciences générales – OPTIQUE

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A. Sources de lumière
A.1. Introduction historique
Notre sens de la vision
Pythagore affirmait (vers 500 av. J.C.) qu’un regard correspond à de
la lumière qui sort de nos yeux pour « entrer en contact » avec l’objet
que l’on regarde. Il faut en effet que l’on ouvre les yeux et qu’on les
tourne vers cet objet. Nous disons d’ailleurs encore aujourd’hui que
l’on « jette » un regard dans telle ou telle direction ou que le regard
« touche » tel objet. Pythagore avait sans doute remarqué en plus
qu’il nous arrive de voir des effets lumineux quand nous tenons les
yeux fermés, dans l’obscurité complète. Il a pu penser dès lors qu’il
devait y avoir une source de lumière dans nos yeux bien que nous savons aujourd’hui qu’il ne
s’agit là que de signaux créés à l’intérieur de notre système nerveux, analogues à ceux qui
forment le « bruit de fond » que l’on peut entendre à la radio.
Démocrite proposait (vers 400 av. J.C.) une conception tout à fait
différente, en partant du fait que nous sommes incapables de voir des
objets qui se trouve dans l’obscurité totale. Il faut qu’ils soient éclairés,
c’est-à-dire qu’ils reçoivent de la lumière qui provient d’une source de
lumière extérieure, telle que le soleil par exemple. Démocrite estimait
donc que la lumière est « quelque chose » qui est émis par des corps
lumineux, mais que nous percevons avec nos yeux. Quand nous
regardons vers la source de lumière, nous recevons la lumière par voie
directe. Mais elle peut nous parvenir aussi par voie indirecte, en étant
renvoyée vers nous par les objets éclairés que nous voyons. Ceux-ci
agissent alors à leur tour comme des sources, mais avec de la lumière
« empruntée ».
Aujourd’hui, nous avons l’impression que cela est tout à fait évident.
Mais comment aurait-on pu le prouver à cette époque ? Platon pensait
en effet (vers 350 av. J.C.) que nous voyons les objets parce qu’ils sont
« touchés » à la fois par notre regard et par la lumière qui éclaire ces
objets. D’après-lui, il devait y avoir dès lors deux types de lumières : le
« feu interne » qui jaillit de nos yeux et le « feu externe » qui vient des
corps lumineux. Cette conception était bien compliquée. Elle a été
généralement admise pourtant jusque vers 1600 !
Extrait de « Optique » A. Meessen, ED. Cabay LLN, 1981
TACHE : Présenter sous une autre forme une information
Suite à la lecture du document ci-dessus, schématise le plus simplement possible la
théorie de chacun des philosophes sur la vision des objets.
A.2. Différents types de sources lumineuses
Au cahier, cite les sources lumineuses qui te passent par la
tête. Ensuite essaie de les classer en catégories.
Ensuite, réalise un organigramme de ces différents types de
sources.

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Applications
1. Dans un tableau à deux colonnes, classe les objets suivants en sources primaires et en
sources secondaires
2. Expérience
Si on allume un petit laser et qu’on le pointe sur le mur, tu peux observer de la lumière à la
source (sortie du laser) et un point lumineux sur le mur.
• Vois-tu le rayon lumineux entre le laser et le mur ? Que pourrais-tu faire pour le voir ?
• Quelle conclusion peux-tu tirer de cette expérience ?
• A la lumière (Haha!) de cette expérience essaie d’expliquer :
ce qu’il faut impérativement (et pourquoi) dans
une salle de spectacles pour obtenir de jolis
faisceaux lumineux comme sur la photo ci-
contre ?
Pourquoi les feux antibrouillard avant d’une
voiture sont placés plus bas que les phares de
croisement ?
3. Complète le texte par un ou plusieurs mots.
Le Soleil nous éclaire pendant la journée puis la Lune prend le relais à la tombée de la nuit.
Mais la Lune et le Soleil ne nous éclairent pas de la (1). Quelle différence fondamentale
existe-t-il entre ces deux sources de lumière ?
Réponse : le Soleil, comme toutes les étoiles, (2) de la lumière alors que la Lune nous (3) la
lumière qu'elle reçoit du Soleil.
Que voit-on ?
• On ne voit pas la (4) mais on voit les objets (5) la lumière qu'ils nous renvoient. Pour voir
un objet, il faut que celui-ci émette de la lumière, et qu’il soit face à l'observateur,
sans obstacle entre eux deux. Plusieurs cas sont alors possibles. Ainsi, une lampe émet
de la lumière qui est reçue par l'œil. De jour, le Soleil éclaire les bâtiments qui nous (6)
un peu de cette lumière. Un miroir (7) la lumière émise par notre visage et le rend
visible.
• On appelle source (8) une source de lumière qui (9) de la lumière qu’elle a elle-même
produite. Elle est visible, isolée de toute autre source lumineuse. Le Soleil, le filament
d’une ampoule, un écran de télévision sont des sources primaires de lumière.
• On appelle source (10) une source de lumière qui est visible seulement si elle est (11)
Le ciel, les murs des bâtiments et les plafonds sont des sources secondaires de
lumière.

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B. Nature de la lumière
B.1. Le soleil : source de toute énergie sur Terre
Aux origines de tout
On suppose que toute l'énergie est née avec l'univers, d'une
immense explosion : le big-bang (on y reviendra plus tard,
notamment au cours de chimie). Une partie de l'énergie qui est
apparue alors s'est transformée en matière pour former les galaxies, les étoiles dont bien sûr
notre soleil, mais aussi les planètes et donc la terre.
Notre énergie vient principalement du soleil, gigantesque « boule d'énergie » brute. A
chaque seconde, le soleil perd une grande quantité de matière pour se transformer en
énergie. Une petite partie de cette énergie arrive jusqu'à la terre sous forme de chaleur et de
lumière.
L'énergie solaire
Les hommes essaient depuis longtemps de domestiquer l'énergie du soleil, mais elle est
difficile à utiliser, et c'est souvent à titre expérimental qu'on l'emploie. En effet, si la lumière du
soleil nous arrive facilement, sa température reste assez basse, et il faut la collecter et la
concentrer pour augmenter son efficacité.
L’énergie solaire parvient naturellement sur terre sous forme de lumière (énergie lumineuse)
et de chaleur (énergie calorifique). Les techniques modernes permettent de concentrer le
rayonnement pour le convertir en électricité au moyen de générateurs photovoltaïques.
Produits de haute technologie, ils transforment l'énergie lumineuse en électricité.
La lumière est donc bien une forme d’énergie.
TACHE : Décrire, expliquer le fonctionnement d’un objet
Tu vas réaliser un travail de recherche sur les panneaux solaires thermiques et
photovoltaïques.
Consignes
• Titre = Les panneaux solaires
• Ce travail fera maximum deux pages
• Pour chaque type de panneaux tu devras
Expliquer le principe général (A quoi ça sert
?).
Trouver l’illustration (claire et pas trop
complexe) d’une installation type.
Annoter cette illustration (si ce n’est pas déjà
fait) en indiquant les principaux éléments.
Expliquer le rôle de ces principaux éléments.
• Enfin, tu interrogeras quelqu’un qui a installé au
moins un des deux types de panneaux. Demande lui
si il est content de son choix, quels sont les
avantages et les inconvénients de son installation,
quelle sont les économies énergétiques (électricité,
mazout, gaz, ...) et financières que son installation lui
permet, ...
• Ton travail sera soigné, bien présenté et écrit dans
un français correct.

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C. Propagation de la lumière
Explique la différence entre la lumière émise par un laser et celle émise par une
lampe de poche.
Schématise un rayon lumineux puis un faisceau lumineux
L’ensemble des rayons lumineux émis par une source de
lumière est appelé faisceau lumineux.
(Remarque: Soyons clair, il est impossible d’isoler un rayon lumineux.
C’est un concept utile pour expliquer certains phénomènes)
La lumière se propage en ligne droite depuis sa source,
quand elle ne rencontre pas d’obstacle.
C.1. Vitesse de la lumière
On voit toujours dans le passé
La machine à remonter le temps existe : vous en avez même deux sur la tête… ce sont vos
yeux !
En effet, la lumière ne voyage pas instantanément. Sa vitesse, très grande mais limitée,
approche 300 000 km/s dans le vide. Un rayon de lumière quittant la surface de soleil met
donc 8 minutes pour parvenir ; et vous voyez notre étoile telle qu’elle était il y a 8 minutes
auparavant.
Ce décalage entre l’émission de lumière et sa réception par nos mirettes, est fondamental
en astronomie où les distances sont énormes.