La lumière à la loupe

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La lumière à la loupe
Roland Lehoucq, illustré par Stud
che 7
Lien avec les programmes de
2002
SCIENCES – Le ciel et la Terre :
la lumière et les ombres, le système solaire et
l’Univers
Pour aller plus loin
par Roland Lehoucq,
astrophysicien au CEA de Saclay
Comment dévier la lumière avec autre chose qu’un miroir ?
Lorsque la lumière passe d’un milieu transparent à un
autre, de l’air à l’eau par exemple, elle change de direc-
tion de propagation. C’est pour cette raison qu’une paille
paraît brisée lorsqu’elle est plongée dans un verre. Cette
fracture apparente est à l’origine du mot « réfraction » qui
désigne le phénomène.
Comment cela s’explique-t-il ? Par une unique constata-
tion : la vitesse de la lumière n’est pas la même dans les
deux milieux. Si l’on associe la propagation de la lumière
à la propagation d’un front d’ondes, il est possible d’en
donner une analogie mécanique simple. Des athlètes
doivent effectuer une course avec « changement de mi-
lieu » : ils commencent sur la plage puis doivent nager
une fois le rivage atteint. Leur ligne de départ n’est pas
parallèle au rivage et ils vont tous à la même vitesse,
mais ils nagent plus lentement qu’ils ne courent. La li-
gne formée par les athlètes représente le front de l’onde
lumineuse, le rivage étant donc l’interface entre les deux
milieux, sable et eau. Le front d’ondes est modié (il
prendra la forme d’une ligne brisée) dès qu’un athlète
entrera dans l’eau car ceux qui commencent à nager pro-
gressent plus lentement que ceux qui sont encore sur la
plage. Lorsque tous les athlètes seront en train de nager,
ils formeront à nouveau une ligne droite dont la direc-
tion aura changé.
Le changement de direction peut être quantié grâce à la
loi de Snell-Descartes qui stipule que quels que soient les
angles d’incidence et de réfraction, le rapport de leurs si-
nus est égal au rapport des vitesses de propagation dans
les deux milieux. Cette loi peut être interprétée en termes
de moindre temps de parcours. Une analogie nous aidera
encore à comprendre ce point. Considérons maintenant
un athlète devant partir d’un point de la plage et rejoin-
dre le plus vite possible une bouée située dans l’eau. Là
encore, l’athlète court plus vite sur la plage qu’il ne pro-
gresse dans l’eau. En conséquence, il convient donc de
ne pas aller en ligne droite vers la bouée, mais de rallon-
ger la distance parcourue sur le sable pour diminuer celle
à parcourir dans l’eau. Mais évidemment, il ne faut pas
non plus rester trop longtemps sur le sable… Le chemin
qui prend le moins de temps est une ligne brisée dont les
angles par rapport à la ligne du rivage vérient justement
la loi de Snell-Descartes.
Quelle expérience peut-on
faire en classe?
Expérience de la paille brisée
La lumière change de direction lorsqu’elle passe d’un mi-
lieu transparent à un autre (par exemple de l’air à l’eau, ou
le contraire...).
On peut observer ce phénomène de manière très simple
en mettant une paille ou un crayon dans un verre d’eau.
Si on regarde le verre d’eau de côté, on a l’impression que
la paille (ou le crayon) est brisée au niveau de la surface
de l’eau.
Lectures en réseau
Le Soleil, notre étoile, Le Pommier (voir Fiche n° 1)
Quelques sites Internet
http://www.gallimard-jeunesse.fr/
encyclopediadessciences/space/book_sci_space.htm
http://sohowww.nascom.nasa.gov/
Ce site, en anglais, de nombreuses images du Soleil prises
par satellite.
http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/
expositions/ombres_lumieres/index_f-exposition
Ce site, destiné aux enfants, vient compléter l’exposition
« Ombres et Lumière » de la Cité des sciences et propose
de nombreuses activités interactives.

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La lumière à la loupe
Roland Lehoucq, illustré par Stud, éditions Le Pommier
1. Complète avec les mots :
la lumière – des photons – l’énergie
…………………….. est surtout de …………………
Les « grains » d’énergie sont appelés ……………………
2. Quelle est la vitesse de la lumière dans l’air ?
A. 300 000 km/s
B. 230 000 km/s
C. 150 000 km/s
3. Vrai ou faux ?
A. La lumière se propage en ligne droite jusqu’à l’infini. VRAI FAUX
B. Les panneaux solaires transforment la lumière en électricité. VRAI FAUX
C. On ne peut pas vivre sans lumière. VRAI FAUX
D. Le four à micro-ondes cuit avec de la lumière invisible à nos yeux. VRAI FAUX
E. Les CD et les codes-barres sont lus par des rayons lumineux. VRAI FAUX
4. Qui voit ces couleurs qui existent et que nous ne voyons pas ?
= l’abeille
= les insectes
= le crotal
5. Schéma
Auguste, Léonard et leur copain Pierre jouent à se renvoyer de la lumière. Dessine ce qui se passera
si Chloé vient participer à leur jeu en venant en haut à gauche. Comment la lumière changera-t-
elle de destination ?
fiche
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L’infrarouge =
L’ultraviolet =