la nature de la lumiere

Nature de la lumière
Que suis-je ?
Ondes ?
Particules ?
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• L’évolution des idées;
• Nature corpusculaire;
• Nature ondulatoire;
• La mesure de la vitesse de la lumière;
• Le spectre électromagnétique;
• La lumière visible
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Mais, comment se fait-il
que nous ne puissions pas
voir dans le noir; l'œil
pourrait pourtant encore
émettre des rayons?
Pythagore
Euclide
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au XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des visons
différentes sur la nature de la lumière……
La lumière est
une particule
Non! La
lumière est une
onde
Isaac Newton
1643 - 1727
Christian Huygens
1629 - 1695
4
Ce que l’on devait expliquer…
La réflexion et la réfraction de la
lumière !
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Newton propose sa « théorie corpusculaire »
afin d’expliquer ces phénomènes.
(source: “Opticks”, publié par Isaac Newton en 1704)
Je pense que la lumière est
composée de petites particules,
appelées corpuscules …
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Théorie corpusculaire
Pourquoi un prisme donne-t-il des
couleurs à un rayon de soleil qui le
traverse?
La lumière blanche est un mélange de 7
corpuscules de masses différentes qui sont
déviés différemment selon leur masse.
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Explication de la réflexion selon la
théorie corpusculaire
Selon Newton, une force perpendiculaire
à la surface de réflexion s'exerce au
point où la lumière frappe la surface.
Elle agit à très faible distance et son
intensité décroit avec l’éloignement du
plan.
Balle
Rebond
Lumière Réflexion
Un très grand nombre de
corpuscule
Miroir
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Explication de la réfraction selon la théorie
corpusculaire

Selon Newton les corps transparents doivent avoir assez
de pores libres pour transmettre la lumière sans
obstacle. Si la force réfractante est assez intense, il y a
réflexion, sinon la lumière est juste déviée et c'est la
réfraction
air
Balle
Lumière
eau
Selon Newton, la lumière voyage plus vite dans la matière
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Huygens propose sa « théorie ondulatoire » afin
d’expliquer ces phénomènes.
(Source: « Principia » 1687)
Comment admettre une théorie corpusculaire
alors que deux faisceaux qui se croisent ne se
dévient pas ?
Le mouvement ne pouvant être
accompagné d’aucun transport de
matière, il est dû à des ondes.
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Propagation d’une onde
« Chacun des points d’un front
d’onde agit comme une
source de petites Ondelettes
secondaires. À un instant
donné ultérieur, l’enveloppe
des bords avant des petites
ondes forme le nouveau
front d’onde. »
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Construction d’Huygens pour la
réflexion
vt
sin q1 
AB
vt
sin q '1 
AB
Alors q1 = q’1
L’angle d’incidence égal l’angle de réflexion.
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Construction d’Huygens pour la
réfraction
v1  t
sin q1 
AB
et
v2  t
sin q 2 
AB
En utilisant v1 = c/n1 et
v2 = c/n2 on obtient:
n1 sin q 1 = n2 sin q 2
Selon Huygens, la lumière voyage moins vite dans la matière
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Conclusion : L’autorité de Newton laisse la nature
ondulatoire de côté durant plus d’un siècle !
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Galilée tenta, sans succès de mesurer
la vitesse de la lumière en demandant
à son assistant situé une colline
voisine d’ouvrir sa lanterne à l’instant
où il ouvrirait la sienne.
La lumière ne prend que
30 microsecondes pour
parcourir la distance de
10 km séparant les deux
montagnes!
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Variation de la période de Io (lune
de Jupiter).
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Jupiter
Soleil
Terre
Terre
Jupiter
Variation de la période de
Io (lune de Jupiter).
Lorsque la Terre s’éloigne
de Jupiter, la période
est plus longue, que lorsque
la Terre se rapproche de
Jupiter (15s).
Ainsi, la variation de 22 minutes mesurée par Römer dans la prédiction
du début de l’éclipse est causée par la distance supplémentaire que doit
parcourir la lumière.
Résultats: c = x / t = 2,27 x 108 m/s.
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Thomas Young
C’est en 1800 que Young remet
La lumière n’est pas une
en question l’interprétation
particule!
corpusculaire de la lumière. En
observant les couleurs d’une
bulle de savon, il voit
s’entremêler deux ondes
réfléchies, l’une par la face
extérieure et l’autre par la face
intérieure. Les vitesses de la
lumière sont différentes dans
l’air et dans l’eau (comme l’a
montré aussi Huygens).
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Distance source-miroir plan  8,63 km.
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Si on tourne la roue dentée avec une bonne
vitesse, il est possible de « bloquer »
la lumière à son retour..
c = 2 d  / q
Exemple:
• Vitesse de rotation = 12,6 révolutions/s;
• Nombre de dents = 720.
Résultats: c = q / t = 3,13 x 108 m/s
21
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Foucault démontre que la
vitesse de la lumière dans
l’eau est plus petite que la
vitesse dans l’air !!!
Vitesse dans l’eau = 3/4 c
c = 225 000 000 m/s.
A partir de l'expérience de FOUCAULT, la communauté
scientifique était convaincue de la nature ondulatoire de la
lumière.
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•Distance source-miroir plan  35 km;
•La roue dentée est remplacée par un miroir à 8 faces;
Résultats: c = 2,99796 x 108 m/s.
N.B. On utilise c = 3 x 108 m/s
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• En 1860: Théorie électromagnétique de Maxwell
Prédictions d’ondes électromagnétiques se propageant à
la vitesse de la lumière.
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Gauss
Gauss
Faraday
  Q

 E  dA   0

 

 B  dA  0

  d B
E  dl   dt

Ampère-Maxwell
 
d E 

B  dl  0  I   0 dt 

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


On peut produire des
ondes
électromagnétiques en
reliant deux tiges à une
source de courant
alternatif.
Les charges en
accélération dans les
tiges produisent le champ
en radiation représenté
sur la figure.
Le champ électrique est
représenté par des
boucles fermées alors
que le champ
magnétique est normal à
la page.
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30
31
l
x t
E  Emax sin 2   
l T
E
B
c
x t
B  Bmax sin 2   
l T
cl f
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 Les
ondes électromagnétisme sont
transversales
 Les ondes électromagnétisme voyagent à la
vitesse de la lumière
c
1
 o o
Permittivité du vide
Perméabilité du vide
• Puisque les ondes EM voyagent à la vitesse qui est
précisément celle de la lumière, la lumière est une
onde électromagnétique
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 Le
rapport du champ électrique sur le champ
magnétique donne la vitesse de la lumière
c
E
B
 L’onde
électromagnétique transporte de
l’énergie qui peut être transférée aux objets
qu’elle rencontre sur son passage
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La vitesse de la lumière est la même pour toutes les ondes
électromagnétiques.
c  300,000 km / s
La longue d’onde l est la distance entre deux crêtes ou deux creux
consécutifs.
La fréquence représente le nombre d’oscillations par seconde.
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Soit un rayon X dont la fréquence est de 3 x 1018 Hz. Calculez la
longueur d’onde de cette onde électromagnétique.
c 3  10 8 m / s
10
l 

1
10
m
18
f
3  10 Hz
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Une onde électromagnétique est donnée par :
 x

t
E  25sin 2 

 0, 03 1 10 10 
a) Déterminez la longueur d’onde de cette onde électromagnétique:
l = 0,03 mètre
b) Déterminez la fréquence de cette onde électromagnétique:
f = c / l  (3 x 10 8 m/s)/ 0,03 m = 1 x 10 10 Hertz
c) Déterminez l’amplitude du champ magnétique de cette onde EM
E
25volt/m
B 
c 3  10 8 m / s
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38
 Heinrich
Hertz a été
le premier à
générer et détecter
des ondes
électromagnétiques
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Expérience de Hertz
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La même expérience (Hertz) qui démontrait la preuve de la nature
électromagnétique de la lumière, apporta la preuve de la nature
corpusculaire.
On observe expérimentalement l’influence de la lumière
(des électrodes émettrices) sur les électrodes de la boucle réceptrice.
Effet photoélectrique
(Chapitre 9)
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Au lieu de répartir l’énergie d’un
faisceau de lumière dans l’espace
qu’occupent les ondes
électromagnétiques, cette énergie est
concentrée dans un petit paquet
(photon).
Ef
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Albert Einstein
La lumière une onde? Pas
question
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•Compton (1923):
diffusion des rayons X.
•De Broglie (1924):
nature ondulatoire des particules.
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Louis de Broglie
La lumière n’est ni une onde, ni une
particule, mais les deux à la fois.
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(ultraviolet)
(infrarouge)
Réponse concorde avec le maximum
d’émission de la lumière solaire!
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