Facteurs qui influencent le volume d`un gaz :

Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 1 : La lumière Page
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PHYSIQUE
OPTIQUE
La lumière
Chapitre 1
MARC VOYER
CSDPS
2016-17

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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 :
fv

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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.
t
d
c
Le spectre électromagnétique représente l’ensemble des ondes
électromagnétiques classées selon leur fréquences (f) ou bien selon leur
longueur d’onde ().