Facteurs qui influencent le volume d`un gaz :

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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.
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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
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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 ?
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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 ().
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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.
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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.
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Réponses
Les ondes (page 3)
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4.
f = 80 Hz
v = 0,15 m/s
 = 2,7 m
f = 440 Hz
Les ondes lumineuses (page 6)
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3.
4.
a) IR
b) UV
t = 500 s ou 8 min 20 s
 = 3,06 m
d = 1360 m
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Notes personnelles
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