La lumière (FOUCHER)

Ch1 : Les sources et la propagation de la lumière

1/ Qu’est ce que la lumière ?

La lumière est constituée de particules. Ces particules « transportent », à la vitesse c : 300 000 km/s, une certaine quantité d’énergie sous forme de radiations électromagnétiques qui vont des radiations * aux radiations infrarouges.

On définit la lumière visible, comme l’ensemble des radiations électromagnétiques dont les longueurs d’onde sont comprises entre 0.4 et 0.7 micron, les seuls auxquelles l’oeil est sensible, et que l’on regroupe en trois couleurs primaires qui convient chacune 1/3 du spectre.

La lumière visible est une partie du rayonnement électromagnétique : les sept couleurs qui la composent constituent le spectre de la lumière blanche.

2/D’où vient la lumière ?

Sources primaires : Elles produisent et émettent leur propre lumière. Celle-ci est produite suite à une transformation d’énergie.

Sources secondaires : Elles renvoient une partie de la lumière qu’elles reçoivent. Tous les objets éclairés sont des sources secondaires de lumière. Les objets noirs renvoient bien la lumière que les objets blancs.

La diffusion : Les objets ordinaires et ordinairement bien éclairés renvoient une partie de la lumière qu’ils reçoivent.

3/ Quelques propriétés de la lumière

La lumière est une entité quantifiable dont la mesure est donnée par des instruments équipés de cellules photoélectriques reliées à un milliampèremètre.

A partir d’un point, la lumière se propage en ligne droite et dans toutes les directions.

La lumière est invisible de profil, ce qui est visible, ce sont les objets éclairés.

Si l’air est brumeux, poussiéreux, les particules en suspension dans l’atmosphère diffusent la lumière jusque dans nos yeux. Ce n’est pas la lumière que l’on voit alors, mais les particules éclairées.

4/ Propagation rectiligne de la lumière

·         La lumière est géométrisable : le modèle du rayon

Comme la lumière est invisible et qu’elle se propage en ligne droite, on représente sa présence et son trajet rectiligne grâce à un ensemble de droites appelées rayons. Un rayon n’est pas un filet élémentaire de lumière, mais une abstraction géométrique qui n’a aucune existence physique, aucune dimension, aucune propriété ni lumineuse, ni colorée.

·         La réfraction

La direction de propagation de la lumière est modifiée lorsque celle-ci passe d’un milieu à un autre. On dit alors que la lumière est réfractée.

5/ Le rôle de la lumière dans la vision

Pour voir un objet, il est nécessaire que l’oeil reçoive de la part de cet objet de la lumière. Un homme peut voir lorsque la quantité de lumière qui pénètre son oeil n’est ni trop forte, ni trop faible.

6/ La synthèse additive : un mélange de lumières

Lorsque des faisceaux de lumière colorée se croisent, la couleur de chacun des faisceaux reste inchangée au moment de l’intersection et après celle-ci.  Si des faisceaux de lumière colorée atteignent la même zone d’un objet, alors les lumières colorées se mélangent et la lumière diffusée vers l’oeil correspond à l’addition des lumières incidentes à la surface de l’objet. On parle de synthèse additive des lumières colorées.

7/ Les ombres

Une ombre est une zone de l’espace moins éclairée que les zones avoisinantes situées à l’arrière d’un objet opaque ou coloré éclairé par une source lumineuse. Cette zone existe à cause de la propagation rectiligne de la lumière et reproduit la forme de l’obstacle. En d’autres termes il s’agit d’une zone qui reçoit moins de lumière qu’une zone avoisinante.

On distingue les ombres formées sur les objets, les ombres propres, des ombres formées par les objets sur des supports extérieurs, les ombres portées. Dans le cas idéal d’un objet éclairé par une source ponctuelle, l’ombre est nette.

Mais l’ombre d’un objet peut être plus ou moins nette à cause de la présence d’une pénombre qui l’entoure. La pénombre est une zone partiellement éclairée située autour de l’ombre et qui est présente lorsque la source lumineuse est étendue c'est-à-dire une source lumineuse possédant des dimensions physiques non nulles.

Une ombre n’est visible que par contraste avec des zones plus éclairées car la quantité de lumière atteint l’œil est inférieur à celle qui est envoyée par les zones plus éclairées.

Un cône d’ombre n’est pas nécessairement une zone qui ne reçoit pas de lumière, mais une zone qui reçoit moins de lumière que celles qui l’entourent. Ainsi, un objet placé dans un cône d’ombre peut demeurer visible.

La nuit correspond à l’ombre propre de la Terre. Comme la Terre tourne autour du Soleil, l’ombre propre de la Terre « se déplace ». C’est ainsi que l’on explique l’alternance des journées et des nuits.

8/ Quelques phénomènes astronomiques

·         Les phases de lune

La Lune fait le tour de la Terre en environ 27 jours. On retrouve la même position de la Lune par rapport à l’alignement Soleil-Terre au bout de 29j 12h 44min.

Les phases de la Lune désignent les portions de Lune illuminées par le Soleil et vues à partir de la Terre. Elles découlent du fait que l’on voit la moitié illuminée de la Lune sous différents angles et ne sont pas causées par l’ombre de la Terre sur la Lune. Ces phases dépendent des positions relatives du Soleil, de la Lune et de la Terre. Comme la Lune orbite autour de la Terre, les positions relatives du Soleil, de la Terre et de la Lune changent constamment.

·         La « face cachée » de la lune

Du fait de sa rotation synchrone, la Lune présente toujours quasiment la même partie de sa surface vue de la Terre : la face dite visible.  L’explication semble simple : elle tourne sur elle dans le même temps qu’elle fait un tour autour de nous. Elle tourne bien sur elle-même par rapport aux étoiles en environ 29 jours. C’est aussi le temps qu’il lui faut pour faire un tour de Terre.

·         Les éclipses

o   Eclipses de Lune

Une éclipse de Lune a lieu lorsque la Lune passe dans le cône d’ombre de la Terre. Cette éclipse est visible depuis la moitié de la surface de la Terre. Lors d’une éclipse de Lune, la Terre est entre la Lune et le Soleil.

o   Eclipses de Soleil

Le Soleil et la Lune ont le même diamètre apparent, c'est-à-dire qu’un observateur terrestre perçoit la Lune et le Soleil comme s’ils avaient la même taille.  Ceci s’explique par le fait que le rapport entre la distance Terre-Soleil et Terre-Lune est égale au rapport entre le diamètre du Soleil et celui de la Lune : le Soleil est 50 fois plus loin de la Terre que la Lune et 50 fois plus « gros ».

Lors d’une éclipse de Soleil, la Lune occulte le Soleil pour une petite partie de la Terre.  L’ombre portée de la Lune « se déplace » à la surface de la Terre. Ce déplacement est dû au mouvement de rotation de la Terre sur elle-même.

On parle d’éclipse totale lorsque la totalité de la surface du Soleil est masquée par la Lune. Lors d’une éclipse de Soleil, la Lune est entre la Terre et le Soleil.