La lumière : couleurs, images, vitesse

I - Les couleurs

1. La lumière blanche, une composition de couleurs

Lorsque l'on fait passer un rayon de lumière blanche à travers un prisme, on observe qu'il en sort une lumière colorée.

Il n'y a pas de raisons que ces couleurs soient créées par le prisme, on doit donc en conclure qu'elles étaient mélangées dans la lumière blanche qui a d'ailleurs disparu.
La lumière blanche est donc une composition de plusieurs couleurs

 

On peut également obtenir le spectre de la lumière blanche en utilisant un autre moyen : un réseau de fils très fins et très rapprochés les uns des autres (500 fils par millimètre).
Dans la vie de tous les jours, un objet présente cette particularité : les CD et DVD. Leur reflet particulier exploite ce phénomène, appelé "diffraction".

La lumière naturelle du Soleil produit un spectre similaire à celui ci-dessous.

2. Combien de couleurs faut-il pour faire du blanc ?

Ingénieur lumières !

Lors d'un concert, il est habituel de suivre l'artiste en l'éclairant de différentes couleurs pour changer l'ambiance.
L'accessoiriste ne va pas gérer une centaine de spots en coulisses !

A l'aide de la simulation ci-dessous, essayez d'obtenir les couleurs suivantes : rouge, orange, jaune, vert, bleu cyan, bleu, violet, magenta et blanc. Si, si, c'est possible avec seulement trois manettes !

Il est donc possible de reproduire toutes les couleurs visibles en mélengeant seulement une lumière rouge, une lumière verte et une lumière bleue dans diverses proportions. Ces trois couleurs sont appelées couleurs primaires.

Pour résumer ces mélanges, on a l'habitude d'utiliser la figure de la synthèse additive de la lumière blanche, ci-contre.

 

La vision des couleurs

On a vu qu'il est possible de recréer toutes les couleurs visibles à partir de seulement 3 lumières colorées primaires, le blanc correspondant au mélange dans les mêmes proportions de ces trois couleurs. Comment cela est-il possible alors que l'on a vu que la lumière blanche du soleil comportait toutes les couleurs ?

La réponse est dans le document à télécharger ci-dessous :
La perception des couleurs chez l'Homme.

Pour voir le corrigé, cliquez sur le bouton

3. Couleur d'un objet

Fonctionnement d'un filtre de couleurs

Un filtre de couleur ne laisse passer que certaines couleurs à travers lui : un filtre vert ne laissera passer que des couleurs proches du vert.

 

La couleur d'un objet est-elle indépendante de la lumière qui l'éclaire ?

rouge
verte
bleue
jaune
magenta
cyan
blanc

Pour que l'on puisse voir un objet, il faut qu'il puisse diffuser de la lumière vers notre oeil.
Si un objet semble vert, c'est qu'il diffuse de la lumière verte et qu'il absorbe les autres couleurs.

Cependant, si la lumière qui l'éclaire ne contient pas la ou les couleurs qu'il diffuse, il semblera noir.

Exemple : La photo ci-contre est initialement éclairée en lumière blanche. Faites passer le curseur de la souris sur les cases situées à côté pour voir comment apparaissent les lumières avec différentes couleurs.

On remarque qu'en lumière rouge, le "1" rouge sur la pile ne se différencie plus du blanc qui l'entoure : le contour diffuse normalement toutes les couleurs, mais puisqu'il n'est éclairé qu'avec du rouge, il ne peut diffuser que du rouge, tout comme le "1" qui devient presque invisible.

 

II - Les lentilles

1. Différents types de lentilles

On a vu qu'il est possible classer les lentilles en 2 catégories, en fonction de leur forme, ou de leur façon de déformer ce que l'on voit :

Les lentilles convergentes :
- Elles ont une forme bombée (ou convexe)
- Elles peuvent grossir ce que l'on voit sur un cahier ou n'importe quel objet proche

Les lentilles divergentes :
- Elles ont une forme en creux (ou concave)
- Elles peuvent rétrécir ce que l'on voit sur un cahier ou n'importe quel objet proche

Les objets usuels qui utilisent des lentilles :
Beaucoup d'instruments utilisent des lentilles :

  • Les appareils photo
  • Les lunettes de vue
  • les lunettes astronomiques
  • les microscopes
  • Les phares maritimes

2. Lentilles et images

Il est possible de projeter sur un tableau l'image d'une diapositive éclairée par une lampe de poche, mais uniquement avec une lentille convergente.

Remarques :
- l'image obtenue est toujours inversée
- elle n'apparaît nette que lorsque l'on place la lentille en une position précise entre la dipositive et l'écran.
- la taille de l'image dépend de la lentille : plus la lentille est bombée, plus l'image est petite et lumineuse

3. Notion de foyer

Lorsqu'une source de lumière est suffisamment éloignée, une lentille est capable de focaliser tous les rayons lumineux issus de la source en un point appelé foyer.
La distance de ce point à la lentille est appelée distance focale. Plus la lentille est convergente et plus la distance focale est courte.

 

Est-il possible comme Tintin de faire brûler à l'aide d'une loupe ?

 

III - L'oeil

1. Schéma de l'oeil

- L'iris a pour fonction de contrôler la quantité de lumière qui entre dans l'oeil à travers la pupille.
Lorsqu'en plein été on rentre dans la maison, pendant quelques secondes, on a l'impression qu'il fait très noir, puis cette sensation disparaît : dehors votre pupille est contractée de façon à ce que vous ne soyez pas éblouis. En revanche dans la maison, il y a beaucoup moins de lumière. Il faut un certain temps pour que votre pupille se dilate de façon à laisser entrer suffisamment de lumière...

- Le cristallin est une partie de la "lentille convergente" de l'oeil. Il peut être déformé par les muscle ciliaires de façon à ce que l'image se forme toujours sur la rétine.
Face à une fenêtre, fermez un oeil en tenant devant vous un stylo. Il vous est impossible de voir nettement à la fois le stylo et à travers la fenêtre. Lorsque votre regard passe du stylo à un objet éloigné, sentez-vous que votre oeil "travaille" ? Ce sont les muscles ciliaires qui étirent et contractent le cristallin.

- La rétine sur laquelle se forme l'image que votre oeil regarde se charge de transformer au moyen de ses cônes et de ses bâtonnets (revoir la vision des couleurs) l'image en informations compréhensibles pour le cerveau.

- Le nerf optique est la "prise USB" qui va transmettre les informations de la rétine vers le cerveau.

2. Les défauts de l'oeil

Il arrive que l'oeil n'ait pas une forme parfaite, qu'il soit un peu allongé ou au contraire raccourci.
S'il est trop allongé, un objet regardé de loin formera une image en avant de la rétine : l'oeil ne verra pas bien de loin, mais en revanche il verra bien mieux de très près. C'est un oeil myope.
A l'inverse un oeil trop court pourra voir correctement de loin mais ne verra pas de près car l'image se formerait alors en arrière de la rétine : c'est un oeil hypermétrope.

Pour corriger ces défauts, il suffit de placer en avant de l'oeil des lentilles de correction.
- Puisqu'un oeil myope fait converger les images trop top, on utilisera une lentille divergente.
- Comme un oeil hypermétrope fait converger les images trop tard, on ajoutera une lentille convergente.

IV - La vitesse de la lumière

1. Introduction

Dans le vide, la lumière se déplace à la vitesse d'environ 300 000 km/s (plus exactement 299 792 458 m/s). La théorie prévoit qu'aucun objet ne peut se déplacer plus vite.

Il a été très difficile de savoir si la lumière se propageait à une vitesse finie ou bien si sa propagation était instantanée. La vidéo ci-dessous retrace l'histoire de cette détermination.

Cliquez ici pour télécharger le document sur l'ihistoire de la détermination de la lumière vu en classe, cliquez ici pour télécharger son corrigé.

2. Vitesse de la lumière et distance

Puisque l'on connait la vitesse de la lumière, on peut maintenant calculer le temps qu'elle met pour parcourir différentes distances :
- La Lune est distante de 384 000 km, un rayon laser envoyé depuis la Terre l'atteint donc en 1,28s
- Le Soleil est à 150 000 000 km de la Terre, donc un rayon nous atteint en environ 500s soit 8 min 20 s

3. L'année-lumière

L'année-lumière est une unité de distance. Elle correspond à la distance parcourue par la lumière en 1 an.

Calcul du nombre de kilometres parcourus par la lumière en 1 an :
- Nombre de secondes dans une année : 365 jours x 24 heures x 3600 secondes = 31 536 000 secondes - Distance parcourue par la lumière en 31 536 000 secondes = 300 000 x 31 536 000 = 9 460 800 000 000 000 km
La lumière parcourt donc en une année près de 10 000 milliards de kilomètres !

Cette unité, immense à notre échelle, nous permet de mieux nous rendre compte de la taille de l'Univers :
- L'étoile la plus proche, Proxima Centauri est située à 4,2 années-lumière, soit tout de même quanrante deux mille milliards de kilomètres...
- Notre système solaire se trouve en bordure de notre galaxie, la Voie Lactée qui a un diamètre de 100 000 années-lumière...
- La galaxie la plus proche de la notre, la galaxie d'Andromède est à 2 millions d'années-lumière,
- L'objet le plus lointain que l'on puisse observer est à une distance telle que la lumière a mis l'âge de l'Univers à nous parvenir : 14 milliards d'années !