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Comment la lumière se propage-t-elle ?

Par Yann le 08/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Optique > La Propagation de la Lumière

Qu’est-ce que la lumière ?

La lumière est une onde, ce sont les expériences de diffraction et d’interférences qui ont permis aux physiciens d’affirmer que la lumière avait un caractère ondulatoire.

Expérience de diffraction : quand on éclaire une fente verticale (d’ouverture variable) avec un faisceau de lumière parallèle et monochromatique. La fente laisse passer le faisceau de lumière qui se dirige vers un écran.

Quand la fente a une largeur d’ouverture très grande, on observe un tache lumineuse avec les dimensions de la fente. On dit que la fente à diaphragmé la lumière. Si on choisit ensuite une largeur de fente plus petite, on peut voir une tache plus large que la fente et bordée d’une alternance de zones sombres et lumineuses : la lumière a divergé lors de son passage à travers la fente.

C’est le phénomène de diffraction  :

« si l’ouverture est nettement supérieur à la longueur d’onde lumineuse, alors l’onde est diaphragmée, au contraire si l’ouverture est nettement inférieure ou est du même ordre de la longueur d’onde, alors on dit que la lumière est diffractée. « 

Note : la diffraction est un phénomène propre  à toutes les ondes et montre que la lumière a bien un caractère ondulatoire.

Qu'est ce que la diffraction ? Le CD, un exemple de diffraction

La lumière possède plusieurs caractéristiques :

  • La lumière se propage d’une source vers un récepteur. Les sources de lumière sont des corps qui produisent et émettent de la lumière. On trouve des sources naturelles de lumière comme par exemple le Soleil, les étoiles et des sources artificielles de lumière comme par exemple les lasers, les lampes à incandescence ou encore les tubes en néon. Les récepteurs à cette lumière peuvent être des récepteurs naturels comme l’œil ou la peau ou peuvent être des récepteurs artificiels comme le capteur solaire ou les cellules photovoltaïques.
  • La lumière est une onde électromagnétique caractérisée par une fréquence comprise entre 3,5 x 1014 Hz et 7,5 x 1014 Hz. Elle correspond donc à la propagation de champs électriques et magnétiques dans le vide et certains milieux matériels.
  • La lumière est une énergie rayonnante : elle transporte de l’énergie (sans transport de matière). En effet, on peut souligner que la lumière est à la base de phénomènes biologiques vitaux comme la photosynthèse mais aussi l’évaporation des eaux ou encore l’échauffement de la Terre. Cette énergie solaire est d’ailleurs captée par des panneaux photo-voltaïques pour produire de l’électricité. Plus douloureux, l’énergie de la lumière est responsable des coups de soleil sur la peau !
  • La lumière est capable de diffusion : les objets qui nous entourent renvoient la lumière lorsqu’ils sont éclairés : on dit qu’ils diffusent la lumière. Les objets diffusent plus ou moins la lumière : les objets noirs absorbent toute la lumière reçue, les blancs diffusent pratiquement toute la lumière. Une expérience simple permet d’illustrer la diffusion : quand on utilise un laser dans une pièce noire  il émet une lumière rouge que l’on ne peut discerner. Cependant, si on utilise de la fumée dans la pièce comme par exemple celle utilisée dans les boites de nuit, on peut distinguer les radiations rouges du laser car la fumée à diffusé la lumière vers les yeux de l’observateur. 

Le saviez vous ? La lune n’est pas une source de lumière, elle diffuse la lumière solaire qui arrive à sa surface. C’est aussi le cas des planètes dans l’univers.

La trajectoire de la lumière

Dans le vide la lumière se propage toujours de manière rectiligne (en suivant une droite) c’est pourquoi on représente son trajet par un rayon lumineux (une droite comportant une flèche).

On peut également représenter la lumière sous forme d’un faisceau lumineux qui constituent l’ensemble des rayons.

Dans un milieu matériel seuls certains matériaux qualifiés de transparents laissent la lumière se propager.

Dans un milieu transparent et homogène la propagation de la lumière n’est alors rectiligne que si ce dernier est homogène.

Définition : un milieu est homogène s’il possède les mêmes caractéristiques en chacun de ses points (même composition chimique, même température et même pression).

La vitesse de la lumière dans le vide

La lumière n’a pas besoin de milieu pour se propager.

La propagation de la lumière correspond aux caractéristiques d’une double propagation :

  • la propagation d’un champ électrique
  • et la propagation d’un champ magnétique.

Ainsi la lumière, qui est une onde électromagnétique n’a pas besoin de support matériel pour se propager.

Dans le vide, la lumière se propage à une vitesse constante de 300 000 km/s. Cette vitesse, aussi appelée célérité, se note c et correspond aussi à la vitesse de propagation de toutes les autres ondes électromagnétiques (ondes radios, micro ondes, infrarouge, etc…).

Un peu d’histoire…

C’est Galilée (1564-1642) qui le premier pensa que la lumière ne se propageait pas instantanément.

Qui est Galiléo Galilée ? Galilée le père de la physique

Il essaya de calculer la vitesse de propagation de la lumière par différentes expériences, mais qui se soldèrent toutes par un échec. Ce n’est qu’à la fin du XVII ème siècle que Ole Christensen Römer (1644-1710), qui travaillait alors à l’observatoire de Paris, put donner une bonne évaluation de la célérité de la lumière.

On a donc toujours ;

c = 300 000 km/s

Cette mesure est une grandeur fixe et une constante fondamentale.

Le saviez-vous ? La valeur actuellement admise pour la vitesse de la lumière a été fixée en 1983 par la conférence des poids et mesures. Celle-ci avait été obtenue une dizaine d’année avant indirectement par des mesures précises faisant appel à la fréquence du laser hélium-néon. On admet que cette vitesse est, plus précisément, de 299 792 458 m/s.

Le rêve de dépasser la vitesse de la lumière

En 2011 les physiciens du CERN (Organisation Européenne pour la recherche nucléaire appelé aussi laboratoire européen pour la physique des particules) et du CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) pensaient avoir fait une découverte extraordinaire : les chercheurs avaient alors pu observer des particules voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière.

Cette découverte bouleversait toutes les théories actuelles dont celle célèbre de la relativité d’Albert Einstein.

Jusqu’à présent la vitesse de la lumière dans le vide était considérée comme une grandeur infranchissable.

Les particules en jeu ?

Les neutrinos, des particules élémentaires de masse quasiment nulle et engendrées par des réactions nucléaires. Plusieurs expériences avaient alors confirmées le fait que ces neutrinos allaient à une vitesse supraluminique. Malheureusement la revue Science mis fin au rêve en expliquant que les résultats de ces expériences étaient biaisés par une erreur de GPS.

Comment et ou étudie-on les propriétés de la lumière ? Le CERN : l’organisation européenne sur la recherche nucléaire

La  vitesse de la lumière dans un milieu matériel transparent

Dans un milieu transparent la lumière peut se propager moins vite que dans le vide. C’est Pierre de Fermat, un mathématicien français, qui exprima l’idée que la célérité de la lumière soit moins importante dans des milieux transparents que dans le vide.

Ainsi, la lumière peut se propager dans de nombreux milieux comme l’air, l’eau ou le verre. Si le milieu est opaque, la lumière ne peut pas se propager. C’est le cas par exemple, dans les grands fonds marins.

Quand la lumière se propage dans un milieu transparent, elle va moins vite que dans le vide car il existe des interactions entre le rayonnement et la matière.  La vitesse dépend alors du milieu.

Note : la célérité de la lumière dans l’air est quasiment identique à la célérité dans le vide.

Indice de réfraction

La vitesse de propagation s’exprime alors à l’aide de la relation suivante :

 v=\frac{c}{n}

  • Où « v » est la vitesse de la lumière dans le milieu transparent (en mètre par seconde)
  • « c » est la célérité de la lumière dans le vide (c= 300 000 000 m/s)
  • et n est l’indice de réfraction (sans unité)

L’indice de réfraction est aussi appelé constante d’optique d’un matériau.

L’indice de réfraction est caractéristique de chaque type de milieu transparent. n est toujours supérieur ou égale à 1.

Dans l’air n=1 ce qui signifie que la vitesse de propagation est la même que dans le vide.

Par contre, dans l’eau n=1,33 et dans le verre n=1,5 la vitesse de propagation n’est pas la même donc dans ces milieux la lumière se propage moins vite que dans le vide.

Air300 000 000 m/s
Eau230 000 000 m/s
Alcool220 000 000 m/s
Verre200 000 000 m/s
Benzène200 000 000 m/s

Vitesse de la lumière et effet Cherenkov

L’effet Cherenkov, du nom du physicien russe nobélisé Pavel Cherenkov, désigne l’effet que produit une particule qui se déplace plus vite que la lumière dans son milieu. Attention cela ne signifie pas que cette particule a une vitesse supérieure à 300 000 km/s !

Prenons l’exemple de l’eau, dans laquelle la célérité de la lumière est de 226 000 km/s, si la particule possède une vitesse de 270 000km/s alors cette particule a une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau : il se produit un phénomène lumineux bleuté.

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