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Comment analyser la lumière ?

La lumière naît dans ce que l'on appelle des sources primaires par le biais de procèdes physico chimiques. Une source primaire produit elle-même la lumière qu'elle émet (ex : dans le soleil, la lumière naît de différentes réactions chimiques complexes comme la combustion). Elle est la seule entité de l'univers à posséder une double nature : Elle est d'une part de la matière : elle se déplace parce que des petites particules appelées photons la véhiculent (transportent). Ces particules transportent en réalité de l'énergie et ont la particularité d'avoir une masse nulle m = 0,00... g. Elle est aussi une onde car elle résulte d'une vibration. De plus, sa masse est nulle et elle ne nécessite aucun support matériel pour se propager. Cette double nature de la lumière a été mise en évidence par Einstein en 1905, c'est l'effet photoélectrique. Une fois émise, cette lumière se propage ensuite dans différents milieux et peut entre autres « rebondir » sur certains corps appelés sources secondaires. Les sources secondaires réémettent de la lumière qu'elles reçoivent mais ne la produisent pas (ex : la Lune réémet la lumière qu'elle reçoit du Soleil). Pour qu'un objet soit vu par notre œil, il faut que des rayons lumineux issus de cet objet arrivent dans notre œil. Deux questions restent en suspens : Pourquoi existe-t-il des lumières de couleurs différentes ? (Rappel : Noir = absence de lumière) Comment réagit la lumière vis à vis des obstacles qu'elle rencontre sur son chemin ? Vis à vis d'un changement de milieu ?

D'où nous vient la lumière ?

L'atmosphère, les nuages, le sol ou les océans reçoivent la lumière solaire. Ils renvoient une partie de cette lumière dans toutes les directions : on dit qu'ils diffusent la lumière. La Lune, les planètes, les comètes et tous les corps du système solaire, sont éclairés par le Soleil. Ils sont visibles car leur surface diffuse une partie de la lumière solaire. Les photographes utilisent des écrans diffusant pour obtenir un éclairage sans ombre sur le sujet. Les photographes utilisent des écrans diffusant pour obtenir un éclairage sans ombre sur le sujet. Les planètes, les nuages, les écrans diffusant sont des objets lumineux qui ne produisent pas de lumière. Ils diffusent la lumière qu'ils reçoivent : ce sont des sources secondaires de lumière. Il existe plusieurs sources de lumière, que ce soit naturelle ou artificielle.

Qu'est-ce qu'une source de lumière naturelle ? La principale source de lumière naturelle à laquelle nous sommes exposés est le Soleil.

Les lumières d'origine naturelle

Le Soleil

Le Soleil est notre étoile. Il tourne à 28 000 années lumière du centre de notre galaxie, la Voie Lactée, le tout à une vitesse de 225  kilomètres par seconde. Il représente le plus gros objet de notre système solaire et occupe à lui seul 99 % de la masse du système solaire. Il se compose de 75 % d'hydrogène et de 25 % d'hélium. La température en son centre peut atteindre les 14 000 000 K, soit 13 999 726, 85 °C. On estime sa durée de vie à environ encore 7 milliards d'années. Le Soleil est le centre de notre système solaire mais il n'est pas du tout au centre de la Voie Lactée. De même que la Terre et les planètes tournent autour du Soleil (elles effectuent des révolutions), l' ensemble du Système Solaire tourne autour du centre de la Voie Lactée.  Le Soleil est une étoile d'un diamètre de 1 392 000 km, soit 108 fois le diamètre de la Terre (12 756 km). Comme toutes les étoiles, le Soleil est une boule de gaz très chauds. Au cœur du soleil, des milliers d'explosions se produisent en permanence, comme celles des bombes atomiques. Ces explosions dégagent de la chaleur et de la lumière qui remontent à la surface et le font briller. Et cela peut encore durer 5 milliards d'années ! Le Soleil est la seule source primaire de lumière du système solaire. Les autres astres sont visibles, car ils diffusent la lumière du Soleil : ce sont des sources secondaires. Tant qu'il sera encore chaud, il produira de la lumière. Mais, quand plus aucune explosion ne se produira, il se refroidira lentement.  Privée de la lumière et de la chaleur du Soleil qui est l'étoile la plus proche de nous, la Terre ne serait qu'une planète sans vie. Si le Soleil s'éteignait, nous continuerions encore à le voir pendant 8 minutes puis ce serait le noir complet.

La Lune

Avec un rayon de 1737 kilomètres, la Lune est le seul satellite naturel de la Terre. Depuis notre point de vue, il s'agit du deuxième point le plus brillant après le Soleil. Elle effectue le tour de la Terre en 29 jours. Selon qu'elle soit à son apogée ou à son périgée, elle se trouve respectivement à 406 700 km de la Terre ou 356 400 kilomètres de la Terre.

Les lumières d'origine artificielle, ou humaine

Les lampes sont présentes dans notre quotidien et nous sont utiles dans de bien nombreux cas. Elles nous permettent en général de nous éclairer, avec les plafonniers et les lampes torches. Mais elles peuvent aussi servir à nous avertir (feux tricolores ou lumière d'alarme. Chacune de ces lampes émet de la lumière par le biais de son ampoules. Celles-ci sont au moins aussi nombreuses que les applications de les lampes sur lesquelles elles sont présentes.

La lampe à diode électroluminescente, aussi appelée LED

La lampe à diode électroluminescente, abrégée en DEL ou en LED en anglais pour Light-Emitting Diode est un type de lampes dernière génération qui a pour vocation de remplacer toutes les autres lampes existantes. Leur fonctionnement repose sur les diodes électroluminescentes. Au début, ces lampes étaient utilisées dans les voyants de signalisation car elles ne produisent presque pas de chaleur contrairement aux lampes à incandescence et elles consomment très peu d'énergie, ce qui en faisait des produits de choix pour les voyants de fonctionnement. Disposant d'une durée de vie très élevée, elles se sont agrandies et maintenant on trouve des LED dans tous les domaines et dans toutes les tailles. Les lampes à diode électroluminescente ont aussi l'avantage de produire de nombreuses lumières par addition de couleurs. On peut aussi, en fonction du sens de passage du courant, choisir quelle couleur sera émise. Leur durée de vie se compte en dizaine de milliers d'heures. Leur vieillesse se caractérise par une baisse de leur rendement. Il arrive donc plus fréquemment  que les composants électroniques de la LED tombent en panne avant les diodes électroluminescentes en elles-mêmes. Ce type de lampe montre aussi une grande résistance aux changements d'état allumé ou éteint sans s'user ni s’abîmer contrairement à une ampoule à incandescence habituelle. Pour finir, elles permettent une pleine puissance lumineuse instantanée, ce qui en fait une lampe privilégiée dans le domaine de la signalisation, notamment dans l'automobile. Il existe cependant quelques inconvénients à l'utilisation des LED. En effet, ces dernières sont sensibles à la chaleur et c'est pourquoi il est important qu'elles soient accompagnées d'un bon dissipateur thermique. Autrement, elles perdent de leur puissance lumineuse au delà de 100 °C. Leur prix reste aussi bien plus élevé que les ampoules à incandescence traditionnelles ainsi que les ampoules halogènes.

Les lampes à halogènes

Afin de palier à la disparition de la matière du filament et ainsi augmenter la durée de vie des lampes, les lampes à incandescence halogène ont vu le jour. Ces lampes ont pour but de recevoir sous le verre de l'ampoule un gaz halogéné à basse pression. On y retrouve par exemple de l'iode ou du brome. Les lampes à incandescence halogène aident grâce à leur atmosphère permettent la régénération du filament car une fois les vapeur de tungstène sublimées dans le gaz halogéné et rejoignent alors le filament, aidant à sa reconstruction. On utilise ces lampes à incandescence halogène pour augmenter la durée de vie de la lampe dans l'automobile par exemple ou pour l'éclairage publique. Ces ampoules permettent aussi une gestion facilitée des déchets car elles ne comportent aucun élément toxique ou dangereux. De plus, elles s'allument instantanément et en demandent pas de temps de chauffe. Cependant elles sont assez fragiles et supportent mal les chocs et les allumages et arrêts répétés. Pour finir, elles sont un peu plus chères que les ampoules à incandescence classiques.

Les tubes fluorescents

Les tubes fluorescents font partie des lampes à décharge. En effet, ils s'agit d'un tube de verre dans lequel se trouve du mercure. Celui-ci, une fois ionisé par le passage du courant électrique, émet de la lumière ultraviolette, invisible par l’œil humain. C'est pourquoi les parois du tube en verre sont recouvertes d'une poudre dont les propriétés convertissent la lumière ultraviolette en lumière blanche. Elles sont utilisées pour le rendement élevé qui, malgré un coût à l'achat supérieur à celui des lampes à incandescence classiques permet une durée de vie bien supérieure.

Les lampes au néon

Les lampes au néon sont des lampes à décharge dans lesquelles ont trouve du néon au sein de l'ampoule. On les rencontre afin de représenter les enseignes des magasins. Inventées en 1910, ces lampes ont tout de suite rencontré un large succès. Cependant, elles ne sont plus très utilisées de nos jours.

Où trouver une lampe au néon ? Les lampes au néon ont longtemps été utilisées pour illuminer les enseignes, comme sur cette image.

La lampe fluorescente

La lampe fluorescente est également connue sous le nom de lampe fluo-compacte qui est l'abréviation de lampe fluorescente compacte, est une lampe fluorescente qui a été adaptée pour un usage domestique. Pour cela, on a réduit la taille du néon qui est maintenant enroulé au dessus d'un culot qui contient un ballast électronique nécessaire à l'allumage. Elles ont donc exactement le même fonctionnement que les tubes fluorescents habituels. Cependant, ce type d'ampoules ne fournit toute sa puissance d'éclairage qu'après plusieurs minutes et son spectre n'est pas agréable pour la vision. Il arrive même que les lampes fluo-compactes créent des migraines. Au niveau de la gestion des déchets, cette lampe est dangereuse puisqu'elle contient du mercure, métal hautement toxique et écotoxique.

On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant

La lampe à incandescence

La lampe à incandescence est la lampe la plus répandue. Il s'agit d'une ampoule qui fournit de la lumière lorsqu'un filament, généralement en tungstène devient incandescent. Cette mise en température a lieu grâce à l'effet Joule.

L’effet Joule est la réaction thermique et le dégagement de chaleur qui provient d’une résistance électrique lorsqu’un courant électrique la traverse. Cette appellation a été donnée en référence au physicien anglais James Prescott Joule qui l’a découvert en 1840

On utilise le tungstène comme composant du filament car il s'agit du métal avec le plus haut point de fusion.

Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique fond, passant ainsi de l’état solide à l’état liquide

A l'intérieur de l'ampoule se trouve un gaz inerte qui a pour but d'aider le filament a brûler instantanément. Le filament qui brûle se vaporise dans l'atmosphère de l'ampoule avant de se refroidir sur le verre. Le filament perd donc de la matière tandis que l'ampoule en verre se ternit. Il arrive cependant un moment où le filament est trop fragile et finit par rompre. L'ampoule est alors fichue et dot-être remplacée.

Description de la lumière

La lumière est une onde lumineuse constituée de particules : les photons.

Une particule est dite subatomique quand elle est de taille inférieure à celle de l'atome et notamment du noyau. On analyse ces éléments dans la physique des particules.

Lumières monochromatique et polychromatique

On rappelle que la lumière se propage selon des faisceaux de lumière modélisés par un ensemble de rayons lumineux lorsque l'on désire les représenter. Bien souvent, ces rayons sont des segments de droite (voir B. 2)). Une lumière monochromatique est une lumière dont le faisceau ne contient que des rayons de la même couleur (ex : la lumière issue d'une source LASER est monochromatique elle est souvent rouge ou verte). Une lumière polychromatique est une lumière dont le faisceau contient des rayons de couleurs différentes. Nous montrerons ici que Rouge + Vert + Bleu → Blanc n'est pas rigoureusement exact.

Pourquoi existe-t-il des rayons de couleurs différentes ?

Tous les rayons se propagent car des particules appelées photons se déplacent en transportant de l'énergie. Mais cette énergie diffère suivant la couleur du rayon lumineux : les photons transportant du rouge n'auront pas la même énergie que ceux qui transportent du vert par exemple. A partir de cette idée, on doit être capable de différencier un rouge sombre d'un rouge clair. Afin d'être plus précis, on ne parlera plus de couleur d'une lumière mais de radiation lumineuse.

Le laser est-il dangereux ? Un laser puissant peut être utilisé dans l'industrie afin de réaliser des découpes précises et profondes. Il sert aussi en médecine, notamment pour la médecine des yeux qui nécessite une précision accrue.

Comment caractériser une radiation ? Une radiation est caractérisée :

  • par une couleur (trop imprécis).
  • par une énergie notée E qui correspond à l'énergie transportée par les photons associés à la radiation. Elle s'exprime en Joules de symbole J.
  • par une longueur d'onde notée, λ qui correspond en quelque sorte à la distance parcourue par les photons associés à une radiation pour effectuer une oscillation. Elle s'exprime très souvent en µm ou en nm dans le cas de la lumière.

Ces deux grandeurs sont liées par la relation : où     v est la vitesse de la lumière dans le milieu de propagation h est une constante universelle appelée constante de Planck et exprimée en J · s h = 6.63 , 10" J. s Exemples :

  • A un rayon rouge vif se propageant dans l'air, on associe une radiation d'énergie E = 2,74 × 10-19 J et de longueur d'onde λ.
  • A un rayon rouge terne (orangé) se propageant dans l'air, on associe une radiation d'énergie E = 3,13 × 10-19 J et de longueur d'onde λ.

Remarque importante : Dans  on a E fixé mais λ dépend de la vitesse de propagation de la radiation considérée λ = λ(v). C) Spectres et spectre de la lumière blanche

  • Spectre d'une lumière.On appelle spectre d'une lumière donnée, l'ensemble des radiations qui la compose.Ex : Une lumière monochromatique ne contient qu'une seule couleur donc n'est composée que d'une seule radiation en théorie. En réalité, une lumière monochromatique n'existe pas, on parle alors de lumière quasi monochromatique : le LASER est une source de lumière quasi monochromatique. Le spectre d'une lumière monochromatique ne se compose que d'une seule radiation.

On peut alors représenter le spectre d'une lumière donnée à partir d'un axe orienté dans le sens des λ croissants. Reste alors à colorier sur cet axe les radiations associées aux valeurs de λ contenues dans la lumière étudiée.

  • Si le spectre contient toutes les radiations comprises entre deux valeurs de λ extrêmes, on parle alors de spectre continu.
  • Si le spectre ne contient que des radiations de valeur bien précises (valeurs discrètes), on parle le spectre de raies. Si c'est mitigé, on parle de spectre de bandes.
  • Spectre de la lumière blanche

Le spectre de la lumière blanche contient toutes les radiations associées aux couleurs visibles par l'œil humain. Ces radiations sont telles que 380 nm < λ < 750 nm. Dans l'ordre des λ croissants, on trouvera principalement 7 couleurs distinctes et prédominantes qui sont celles observées sur un arc-en-ciel : violet-indigo-bleu-vert-jaune-orange-rouge. Mais le spectre de la lumière blanche contient aussi des radiations dé "couleur" non perceptible par l'œil humain :

  • les infrarouges notés IR tels que λIR > λvisible et EIR < Evisible. Ces radiations provoquent une sensation de chaleur sur la peau.
  • les ultraviolets notés UV tels que λUV < λvisible et EUV > Evisible. Ces radiations entraînent des brûlures et lésions à l'œil si l'on regarde une source de lumière blanche (ex : Soleil) de face.

En conclusion, on peut représenter le spectre continu de la lumière blanche sur un axe des λ croissants.

Propagation de la lumière : milieux THI

Milieux THI : Transparents Homogène Isotrope

  • Un milieu est tout simplement une région de l'espace que l'on a pris soin au préalable de délimiter.
  • Un milieu transparent est un milieu qui n'absorbe (quasiment) pas la lumière qu'il reçoit et cela en tout point du milieu.
  • Un milieu homogène est un milieu de constitution identique en tout point.
  • Un milieu isotrope est un milieu dans lequel les caractéristiques physiques du milieu sont identiques en tout point, par exemple la vitesse à laquelle peut se propager la lumière.

On définit alors les milieux THI qui constituent pour l'essentiel les milieux dans lesquels nous travaillerons en particulier l'eau, l'air, le verre. Une source LASER He-Ne émet une lumière supposée monochromatique de longueur d'onde λ= 633 nm. Cette lumière se propage dans l'air avant de croiser une vitre en verre d'indice de réfraction n' = 1,5 et d'épaisseur e = 1,5 cm avec un angle d'incidence . 1) Quelle est la couleur de la lumière émise par la source LASER ? De quel type est le spectre de la lumière émise par le LASER ? 2) Calculer la vitesse de propagation de cette lumière à l'intérieur de la vitre. 3) Déterminer l'énergie de la radiation véhiculée par les photons ? 4) Que devient la longueur d'onde de la radiation LASER à l'intérieur de la vitre ? Que devient l'énergie associée à cette radiation ? 5) Déterminer les angles de réfraction subis par la lumière à l'entée et à la sortie de la vitre. Conclure. 6) Déterminer l'angle de réflexion subie par la lumière à l'entrée de la vitre. Qu'en est-il de l'absorption ? 7) Faire un schéma de la situation. 8) Déterminer la déviation totale subie par la lumière entre l'entrée et la sortie de la vitre. Pour accéder à la correction de l'exercice, cliquer ICI

Changement de milieu : influence sur les radiations

La sélection de radiations : filtres

Un filtre est un milieu qui absorbe certaines radiations d'une lumière polychromatique et en diffuse d'autres. Exemple : Dans les boites de nuit, certains projecteurs qui émettent de la lumière blanche sont recouverts d'un cache en plastique rouge transparent. Ce filtre rouge va absorber toutes radiations de couleur autres que rouge et diffusera seulement le rouge. On aura alors en sortie une lumière quasi monochromatique de couleur rouge si le filtre est de bonne qualité. Remarques :

  • Si on envoie une lumière monochromatique sur un bon filtre :
    • soit le filtre absorbe toute la lumière qu'il reçoit ;
    • soit le filtre est transparent pour la lumière considérée.
  • Dans cette idée, tous les objets sont donc des filtres: ils absorbent certaines radiations et la couleur sous laquelle ils apparaissent à nos yeux correspond au mélange de couleurs obtenu par superposition des différentes radiations qu'il a diffusé.

1) Radiation de longueur d'onde λ1 = 640 nm (rouge clair) 2) Radiation de longueur d'onde λ2 = 560 nl (jaune vif) rouge clair + jaune vif → rose        

Systèmes dispersifs exemple du prisme

Comment décomposer la lumière ? Comme le prisme est un milieu dispersif, il va décomposer la lumière blanche en une somme de plusieurs couleurs.

Un système dispersif est un système qui sépare les différentes composantes d'une onde donnée (les différentes radiations d'une lumière en optique). On dit que le système disperse la lumière.

  • Qu'est-ce qu'un prisme ?

C'est un objet taillé dans un matériau transparent comme le verre ou le plexiglas. Il possède trois faces rectangulaires et deux faces triangulaires. Lors de son étude, sa représentation en vue de profil se fera suivant le triangle coloré. La face AB sera alors la face d'entée du prisme La face AC sera la face de sortie Â= BAC est appelé l'angle du prisme b) Le prisme dévie la lumière Supposons le prisme en verre. Un rayon incident arrive sur la face d'entrée du prisme. Il passe donc du milieu Air vers le milieu Verre: il subit donc une réfraction et est donc dévié une première fois. Puis, le rayon dévié croise la face de sortie du prisme: il passe du Verre vers l'Air et subit une seconde réfraction. Le prisme dévie donc deux fois la lumière. •    Montrons que A = ri+ r2 •    Montrons que la déviation totale subie par la lumière lors de son passage à travers le prisme est égale à la somme des déviations dues à chaque dioptre traversé. Remarque: Plus l'angle du prisme est faible, plus la déviation sera faible

Le prisme disperse la lumière

Le prisme sépare les différentes composantes (radiations) d'une lumière polychromatique donnée pour deux raisons : - L'indice de réfraction n du milieu qui constitue le prisme (matériau avec lequel il a été fabriqué) varie suivant la longueur d'onde de la radiation qui le traverse . n = f(^). Exemple : Prisme en verre de type flint : pour la radiation violette ^v = 436 nm on a n^v = 1,673 pour la radiation rouge 1, = 680 nm on a n^r = 1,609 - La forme géométrique du prisme amplifie la dispersion des rayons lumineux de couleurs différentes. Démonstration : Dans notre exemple, n2 dépend de (n2 = f(^)). Si l'on arrive à montrer que i2 dépend de n2 alors, par déduction, on en conclura que i2 dépend de 2, c'est à dire que l'angle à la sortie du prisme dépend de la longueur d'onde de la radiation considérée. A et il étant fixés par les conditions de l'expérience, on en déduit que sin i2 ne dépend que de n2. Or, comme n2 ne dépend que de ^, on en déduit que sin i2 ne dépend que de 1 et donc que i2 ne dépend que de 1 (cf document 17p227). d) Conclusion-générale Lorsque l'on envoie de la lumière polychromatique sur un prisme, toutes les radiations qui la composent ne vont pas ressortir du prisme suivant le même angle. Cet angle i2 va dépendre de la longueur d'onde de la radiation considérée. Cela a pour conséquences de disperser la lumière. Ainsi, lorsque l'on envoie de la lumière blanche sur un prisme, on observe en sortie une palette de couleurs correspondant aux couleurs associées aux radiations qui composent la lumière blanche. Cette expérience mise en évidence par Newton en 1666 permet d'observer toutes les couleurs de l'arc-en-ciel soit le spectre de la lumière blanche (cf exercice 31 p 234 ). Un prisme est donc un système dispersif: c'est un dispositif optique qui permet de séparer -tes différentes composantes d'une lumière polychromatique. Remarque: Un prisme disperse plus ou moins la lumière suivant la nature du matériau qui le compose. Le pouvoir dispersif d'un prisme noté K mesure cette capacité à disperser, à séparer les différentes radiations. Plus K est grand, plus le système sera dispersif. Dans la pratique, il permet : - de savoir si une lumière de couleur est mono ou polychromatique. Dans le cas d'une lumière monochromatique, la couleur de la lumière sera la même à l'entrée et à la sortie du prisme mais le rayon sera dévié. - de connaître les radiations qui composent une lumière que l'on désire étudier. Les systèmes dispersifs sont alors très souvent utilisés en astrophysique pour déterminer les composition et température des étoiles à partir de l'étude du spectre de la lumière qu'elles nous envoient sur Terre.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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lyceenne41
lyceenne41
Invité
10 Jan.

Merci beaucoup pour ce cours très complet. Il m’a bien aidé à réviser mon DS. Je n’attend plus que le résultat ^^

lyceenne41
lyceenne41
Invité
10 Jan.

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