CH I Propagation de la lumière

CH I Propagation de la lumière
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INTRODUCTION
Le poète nous induit en erreur quand il parle du regard qui se porte sur un objet.
Un objet est visible parce que la lumière qu’il émet pénètre dans notre œil. En absence de lumière,
un objet n’est pas visible. Il faut donc aussi que la lumière ait l’opportunité de pénétrer dans l’œil.
Pour « voir » un objet, il faut donc réunir 3 conditions :
- un source de lumière
- un récepteur de cette lumière
- un milieu séparant la source et le récepteur qui se laisse traverser par la lumière.
Cette sensation lumineuse présente des aspects divers : les objets apparaissent plus ou moins lumineux, leurs couleurs
sont diverses et leurs contours plus ou moins nets. Ceci est dû aux nombreuses propriétés de la lumière.
L'optique est la branche de la physique qui étudie les phénomènes lumineux.
I. Les sources de lumière
Les deux sortes de corps lumineux
La nuit ou dans une pièce totalement fermée, nous n'apercevons rien de ce qui nous entoure; nous
sommes dans l'obscurité : il y a absence de lumière.
En allumant une lampe à incandescence, nous voyons aussitôt cette lampe, mais aussi les objets qui
l'entourent; la lampe et ces objets sont devenus lumineux et nos yeux en reçoivent de la lumière.
Tout corps qui émet de la lumière est une source lumineuse.
Il existe deux types de sources :
1. LES SOURCES PRIMAIRES = les objets lumineux par eux-mêmes, qui produisent effectivement
la lumière
Matières incandescentes :
Une coulée de lave ou de métal en fusion
Le filament d’une ampoule électrique
La flamme d’une allumette
Les étoiles, dont le soleil.
Corps phosphorescents :
Les cadrans de certaines montres
Certains instruments du tableau de bord des voitures
Divers organismes vivants : les vers luisants, noctiluques (animalcules marins pouvant
provoquer la phosphorescence de la mer lors des nuits chaudes)
Décharges électriques dans les gaz
Les étincelles électriques
Les éclairs d’orage
Les enseignes au néon
Fluorescence : les tubes fluorescents
Vocabulaire :
Incandescence :
Phosphorescence :
Fluorescence :
Luminescence :
Vanden Abeele
Physique 3°
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2. LES SOURCES SECONDAIRES =les objets éclairés qui renvoient une partie de la lumière qu'ils
reçoivent d'une autre source.
La Lune et les planètes qui renvoient la lumière)
Les catadioptres (ex : le triangle de danger des voitures)
Les lignes blanches qui balisent nos routes
Dimensions des sources lumineuses
Sources ponctuelles :
Celles-ci nous apparaissent suffisamment petites pour que leurs dimensions puissent être
négligées par rapport aux distances considérées ; elles peuvent donc être assimilées à des
points lumineux.
Sources étendues :
Celles-ci ont des dimensions non négligeables par rapport aux dimensions envisagées, elles
peuvent être considérées comme un ensemble de sources ponctuelles.
II. Les récepteurs de lumière
On appelle récepteur de lumière un corps sensible à la lumière.
Les principaux récepteurs sont l’œil, les cellules photoélectriques, photovoltaïques.
Voir document : « C’est pas sorcier : l’œil »

Certains corps se laissent traverser par la lumière, et on peut distinguer nettement les
objets à travers eux :
on les appelle des corps transparents.

Certains corps se laissent traverser par la lumière, mais on ne peut pas distinguer
nettement les objets à travers eux :
on les appelle des corps translucides.

Certains corps ne se laissent pas traverser par la lumière :
on les appelle des corps opaques.
Remarque :
Ces qualificatifs ont une valeur relative ; il faut considérer la nature de la substance,
l’épaisseur et la couleur de la lumière utilisée.
ex : l’eau , les chemises plastiques, qui deviennent translucides et mêmes opaques si
l’épaisseur augmente.
Cas particulier :
Le vide est un milieu transparent. C’est ainsi que la lumière solaire peut nous atteindre
bien qu’elle traverse certaines régions de l’espace pratiquement vides de matière.
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
III. Objets ou milieux transparents, translucides ou opaque ?
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IV. Comment la lumière se propage-t-elle ?
Propagation rectiligne de la lumière :
Si on allume une lampe de poche dans un local obscur, le chemin suivi
par la lumière peut être rendu visible si elle rencontre sur son chemin
de petits obstacles (fines poussières).
Les physiciens admettent que
la lumière provenant d’un
point lumineux se propage suivant des lignes droites
issues de ce point.
Une telle droite est appelée rayon lumineux.
Ces rayons lumineux n’existent pas réellement, c’est un moyen de
représentation commode.
Remarque : le sens de propagation de la lumière.
La lumière émise par la source se propage à partir de cette source pour atteindre les divers récepteurs
de lumière ; ce sens de propagation est indiqué par une flèche sur la droite représentant le rayon.
Faisceaux lumineux :
Un ensemble de rayons lumineux s’appelle un faisceau lumineux.
Types de faisceaux :
faisceau de rayons convergents
faisceau de rayons parallèles
Vitesse de propagation de la lumière :
Dans l’air et dans le vide, la vitesse de propagation de la lumière est voisine de
300 000
km
s
. Ainsi, la lumière du soleil met environ 8 min et 20 s pour nous parvenir.
( dTerre- Soleil=150 000 000 km). Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière
pendant un an. Voir Texte 1
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
faisceau de rayons divergents
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Applications :
1. Les visées :
2. La chambre noire :
Observation :
Si un objet lumineux est placé devant la boite, l’observateur placé derrière voit sur le papier translucide une
image
 renversée,
 géométriquement semblable à l’objet.
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
Une boite percée à l’avant d’une petite ouverture et fermée à l’arrière par du papier
translucide.
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V. Ombre et pénombre
Ombre : zone non éclairée
Pénombre : zone partiellement éclairée
Source ponctuelle
Source étendue
Place sur chaque dessin
1. l’ombre propre : zone non éclairée sur l’objet
2. l’ombre portée : zone non éclairée sur un écran ou autre corps
3. le cône d’ombre : partie de l’espace non éclairée entre l’ombre propre et l’ombre
portée.
Applications :
Conditions pour avoir une éclipse solaire.
Une éclipse solaire a lieu quand les rayons solaires ne peuvent pas atteindre la terre
que la lune
s’interpose entre le soleil et la terre
parce
b. Eclipse lunaire
Représente la position des planètes et astres dans le cas de l’éclipse lunaire
Conditions pour avoir une éclipse lunaire :
Une éclipse lunaire a lieu quand les rayons solaires ne peuvent pas atteindre la lune
que la terre
s’interpose entre le soleil et la lune
parce
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
1. LES ECLIPSES :
a. Eclipse solaire
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Phase de lune : partie de la lune visible de la terre.
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
2. LES PHASES DE LUNE :
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Document 1 : L’œil – anatomie -
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
Anatomie : www.youtube.com/watch?v=uPp-0G8Cv7o
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Document 2 : La vitesse de propagation de la lumière
L'observation à distance d'un charpentier tapant sur un clou nous apprend que le son met un temps appréciable pour
parvenir de la source sonore à l'observateur. Si l'ouvrier met une amorce entre le marteau et le clou, il y a émission
simultanée d'un signal lumineux et d'un signal sonore. Les arrivées à l'observateur de ces deux signaux sont décalées dans le
temps. Galilée le premier essaya d'évaluer la durée de propagation d'un signal lumineux; il n'y réussit pas : la durée est trop
brève.
Pourtant la lumière ne se propage pas instantanément de la source qui l'émet jusqu'au récepteur, mais cette vitesse de
propagation est considérable et de plus elle dépend du milieu traversé. L'astronome Rômer* fut le premier en 1676 à
montrer que la vitesse de la lumière a une valeur finie. Dans le vide intersidéral comme dans l'air elle est voisine de 300000
km/s; notons que l'avion commercial le plus rapide ne parcourt que 600 mètres en une seconde. La lumière met 8 minutes
pour nous parvenir du Soleil et 4 années pour venir de l'étoile la plus proche (Proxima du Centaure). Les plus grands
télescopes reçoivent la lumière de galaxies qui ont émis cette lumière il y a 2 milliards d'années.
Les signaux radars se propagent avec la même vitesse : un écho radar met 2,6 secondes pour revenir sur la Terre après s'être
réfléchi sur la Lune.

Olaùs Rômer (1644-1710), astronome danois, trouva en 1676 pour la vitesse de la lumière (214000 km/s)
une valeur un peu différente, essentiellement à cause d'une mauvaise estimation de la distance Terre-Soleil. Ce
résultat constitue quand même une performance remarquable pour l'époque.
Texte 2 : Stonehenge
Un peu d'histoire : les observatoires sans lunette ni télescope
L'utilisation des visées optiques en astronomie remonte aux
débuts de l'âge du bronze. Entre 1 900 et 1 600 avant Jésus-Christ
fut érigé à Stonehenge, au sud de l'Angleterre, un ensemble
d'énormes pierres dont la plus grande a une masse de 50 tonnes
(fig. 19). L'alignement de certaines avec l'œil donne à l'observateur
les directions du lever et du coucher du Soleil et de la Lune aux
d'établir un calendrier très précis pour l'agriculture mais aussi pour
les cérémonies religieuses.
On attribue au Grec Hipparque l'invention vers 150 avant Jésus-Christ de l'astrolabe qui permit de dresser des tables
astronomiques encore en usage au 15e siècle. L'instrument fut perfectionné par les Arabes et servit à la navigation jusqu'à
l'invention du sextant, autre appareil de visée.
Mais les visées à l'aide d'instruments aussi simples restaient assez grossières; pour obtenir une meilleure précision il fallait
construire des instruments plus grands. C'est la conclusion à laquelle aboutit l'astronome danois Tycho-Brahé (1546-1601).
Grâce à la générosité du .roi Frédéric II de Danemark, Tycho-Brahé fit construire en 1576 dans l'île de Hveen un magnifique
observatoire qui faisait l'admiration des savants du monde entier. Il porta à un très haut degré de précision les mesures «à
l'œil nu» et corrigea les tables astronomiques. Les travaux de ce remarquable expérimentateur permirent à son élève Kepler
( 1571-1630) de faire faire un progrès décisif à l'astronomie en établissant les lois régissant les mouvements des planètes. La
précision des mesures de Tycho-Brahé fut telle que Kepler dit un jour alors qu'il cherchait à vérifier une hypothèse : «Mon
maître Tycho-Brahé n'a pas pu se tromper d'un angle de 8 minutes. »
Les derniers observatoires sans lunette ni télescope furent sans doute ceux construits en Inde vers 1730 par le maharadja de
Jaïpur qui voulait, en augmentant la dimension des observatoires, améliorer le calendrier hindou.
Séquence 2 : Optique / chapitre 1 : Propagation de la lumière.
solstices d'été et d'hiver. Cet observatoire permit sans doute
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