PHYSIQUE OPTIQUE La lumière Chapitre 1 Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière MARC VOYER CSDPS 2016-17Page 1 La lumière, onde et particule La lumière est un phénomène physique étudié depuis belle lurette, et sa nature a été l'objet de controverses depuis tout aussi longtemps. Deux écoles de pensée principales se sont confrontées au fil du temps. L'une affirmant que la lumière était une onde, l'autre croyant qu'elle était formée de particules. La position actuelle des physiciens à ce sujet est des plus surprenantes : la lumière est à la fois onde et particule. Comment deux visions apparemment contradictoires peuvent-elles cohabiter ? C'est ce que nous verrons dans ce qui suit. La lumière comme particule Certains phénomènes optiques, comme la réflexion et la réfraction, s'intègrent bien dans le cadre d'une théorie corpusculaire de la lumière. De plus, au début du XXe siècle, Albert Einstein démontra, avec sa théorie de l'effet photoélectrique, que la lumière se comportait comme si elle était formée d'une multitude de petits paquets d'énergie. Einstein les baptisa « photons ». Il est intéressant de noter qu'Einstein se mérita un prix Nobel pour cette théorie, et non pour sa théorie de la relativité, qui était toujours contestée à sa mort. La lumière comme onde Certains physiciens ont proposé que la lumière est en fait une onde. Cette affirmation était corroborée par certains phénomènes comme la diffraction et l'interférence. La théorie ondulatoire de la lumière a longtemps été contestée, car, selon certains, une onde a besoin d'un support matériel pour se propager (comme les ondes sonores qui doivent se propager dans de la matière). C'est alors que la notion d'éther a été introduite pour contrer ce problème. L'existence d'une telle substance n'a cependant jamais pu être démontrée. La théorie ondulatoire de la lumière a gagné ses lettres de noblesse lorsque James Clerk Maxwell associa la lumière à un phénomène électromagnétique. Ainsi, la lumière étant une onde électromagnétique, elle n'avait pas besoin d'un milieu dans lequel se propager. Elle pouvait très bien se déplacer dans le vide. Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 1 Une théorie dualiste de la lumière Depuis le début du XXe siècle, les physiciens utilisent une théorie dualiste de la lumière (et même de la matière en général). On parle en effet maintenant de la dualité onde-particule de la lumière. Ainsi, la lumière se comporte sous certaines conditions comme une onde et, sous certaines autres conditions, comme une particule. De plus, du point de vue de la physique quantique, les photons seraient des « paquets d'onde », et non des particules ponctuelles. (Ce point de vue a été introduit suite à la relation d'incertitude d'Heisenberg selon laquelle il est impossible de déterminer avec une précision infinie à la fois la vitesse et la position d'une particule.) La dualité onde-particule de la lumière nous offre une relation, étonnante au premier abord, puisqu'elle relie l'énergie d'un photon (théorie corpusculaire) à la fréquence de l'onde électromagnétique (théorie ondulatoire). Les ondes Une onde est une perturbation dont la propagation permet un transport d’énergie. La longueur d’onde () est la distance entre deux points de l’onde séparés par un cycle complet. La période (T) d’une onde correspond au temps nécessaire à l’onde pour effectuer un cycle complet. L’amplitude (A) d’une onde est le déplacement maximum effectué par un point de l’onde par rapport à sa position initiale. La fréquence (f) d’une onde est égale au nombre de cycles complets effectués par l’onde en une seconde. L’équation universelle des ondes est : v f Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 2 1. Les ailes d’un colibri peuvent battre jusqu’à 4800 fois par minute, quelle est la fréquence (f) des battements d’ailes ? 2. Un tuyau laisse tomber des gouttes d’eau à intervalles réguliers sur la surface d’une étendue d’eau calme. Sachant que 150 gouttes tombent chaque minute et que la distance entre 2 crêtes successives de l’onde sinusoïdale ainsi créée mesure 6 cm. Quelle est la vitesse de l’onde ? 3. On crée une onde en poussant un ressort vers l’avant puis en le tirant vers l’arrière à une fréquence (f) de 2 Hz. Si la vitesse des ondes dans le ressort est de 5,4 m/s, quelle est leur longueur d’onde () ? 4. Pour accorder leurs instruments, les musiciens utilisent la note la, qui a une longueur d’onde () de 77,27 cm. Si la vitesse du son est d’environ 340 m/s, quelle est la fréquence (f) de cette note ? Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 3 Les ondes lumineuses Une onde lumineuse est une perturbation électromagnétique dont la propagation permet un transport d’énergie lumineuse. Les ondes électromagnétiques sont des ondes qui se déplacent dans le vide à la vitesse c = 299792458 m/s ou 3x108 m/s. c d t Le spectre électromagnétique représente l’ensemble des ondes électromagnétiques classées selon leur fréquences (f) ou bien selon leur longueur d’onde (). Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 4 Un front d’onde est une ligne imaginaire qui relie tous les points touchés par l’onde au même instant. Un rayon d’onde est une flèche perpendiculaire au front d’onde qui représente la direction de propagation de l’onde. La formation d’ombre est une indication de la propagation rectiligne de la lumière. Les milieux opaques bloquent complètement le passage de la lumière, de sorte qu’il est impossible de voir à travers. Les milieux transparents permettent à la lumière de passer. Il est possible de voir à travers ces milieux. Les milieux translucides permettent le passage de la lumière, mais diffusent la lumière dans toutes les directions. Cette diffusion empêche de distinguer nettement les objets lorsqu’on regarde à travers ces milieux. Trois phénomènes peuvent se produire lorsque la lumière rencontre un nouveau milieu : la réflexion, la transmission (réfraction) ou l’absorption. La réflexion se produit lorsque la lumière atteint la surface de matériaux qui ont la propriété de modifier la trajectoire des rayons lumineux et de les renvoyer vers le milieu d’où ils proviennent. La transmission a lieu lorsque la lumière traverse certains matériaux transparents ou translucides. L’absorption survient lorsqu’une onde lumineuse se propage dans une substance et que son énergie diminue le long de son parcours. Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 5 1. La lumière visible est la zone du spectre électromagnétique détectable par les yeux. Nommer les zones du spectre qui sont directement voisines : a) vers les basses fréquences. b) vers les hautes fréquences. 2. Combien de temps faut-il à la lumière du Soleil pour atteindre la Terre sachant que la distance entre le Soleil et la Terre est d’environ 150 millions de kilomètres ? 3. Une station de radio transmet ses émissions à une fréquence de 98,1 MHz. Quelle est la longueur d’onde (λ) des ondes émises par l’antenne ? (1M = x106) 4. Lors de certains orages, on voit un éclair et, après un certain laps de temps, on entend le tonnerre. Ces deux phénomènes ondulatoires se produisent simultanément, mais sont perçus avec un décalage dans le temps. Cela s’explique par la différence de leurs vitesses de propagation. Le son du tonnerre a une vitesse de propagation d’environ 340 m/s ; on l’entend avec un retard temporel, tandis qu’on perçoit simultanément la lumière de l’éclair (c = 3 x 108 m/s). En tenant compte de ces renseignements, calculer la distance (d) à laquelle s’est produit l’éclair si on entend le tonnerre avec quatre secondes de retard. Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 6 Réponses Les ondes (page 3) 1. 2. 3. 4. f = 80 Hz v = 0,15 m/s = 2,7 m f = 440 Hz Les ondes lumineuses (page 6) 1. 2. 3. 4. a) IR b) UV t = 500 s ou 8 min 20 s = 3,06 m d = 1360 m Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 7 Notes personnelles Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page 8