(Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs) *** La lumière *** (TPE)

« qu'elle-même, elle n'est pas une source de lumière : elle ne fait que renvoyer une lumière incidente.

Manifestemen~ puisqu'on la voit rouge, c'est qu'elle renvoie du rouge ..

.

Mais où sont alors les autres couleurs qui ensemble forment la lumière blanche et qui tombent toutes sur la tomate? Réponse : elles ont été absorbées par la tomate! L'énergie de la lumière absorbée élève la température de la tomate.

Toutes les fréquences, tous les photons, participent à cet échauffement, hormis le rouge bien évidemment qui, lui, est renvoyé.

Cela signifie que si l'on éclaire la tomate avec une lumière dans laquelle toutes les fréquences sont présentes sauf le rouge (une lumière cyan), par exemple en employant un filtre cyan , la tomate ne fera que s'échauffer et ne pourra rien renvoyer : elle apparaîtra donc noire.

La couleur d'un objet qui n 'est pas lui-même lumineux dépend donc de ce qu'il est capable de renvoyer.

De même, un filtre qui absorbe toutes les fréquences mais ne laisse passer que le bleu et le vert, sera un filtre cyan .

Ici, le cyan apparaît donc en soustrayant des lumières au blanc.

Un filtre magenta ne laissera passer que le rouge et le bleu.

Et si l'on a un filtre qui ne laisse passer que du vert et du rouge, on verra du jaune au travers .

Avec ces trois filtres on peut alors obtenir toutes les couleurs à partir d'une source de lumière blanche contenant toutes les fréquences : c'est la « synthèse soustractive » dont les trois couleurs de base sont le jaune, le cyan, et le magenta.

Pour avoir du bleu en synthèse soustractive , il suffit de superposer le filtre magenta , qui ne laisse passer que le rouge et le bleu, avec le filtre cyan qui ne laisse passer que le bleu et le vert : seule la lumière bleue parviendra à franchir les deux filtres : on verra donc bleu.

PROPRIÉTÉS OE LA LUMIÈRE VITESS E D E LA LUMi hE, RtFRACTION Dans le vide, toutes les fréquences lumineuses, tous les photons du visible (quelle que soit leur énergie) vont à la même vitesse : 299 792,458 km/s.

Dans les autres milieux transparents cela n'est pas vrai.

Chaque fréquence possède alors sa vitesse propre et celle­ ci croit à mesure que l'on va des hautes Réflexion Réf raction fréquences et des hautes énergies vers les basses : du violet lent, au rouge rapide .

Le rapport de la vitesse d'une fréquence donnée dans un certain milieu sur la vitesse de la lumière dans le vide (299 792,458 km/s) est appe lé indice de réfraction du milieu.

Plus cet indice est grand, p lus la vitesse est faible dans le milieu .

En passant d 'un milieu transparent à un autre, un faisceau de lumière dévie d'un certain angle de sa trajectoire initiale si elle ne tombe pas perpe nd icula ireme nt sur la surface de séparatio n.

C'est ce que l'on appelle la réfraction.

L'angle de réfraction dépend du rapport des vitesses dans les deux milieux .

Dans le vide , toutes les fréquences se propagent à la même vitesse .

Dans les milieux tels que le verre ou l'eau, la vitesse de propagation dépend de la fréquence.

Lors du passage du vide (ou de l 'air) à un milieu (ou d 'un milieu vers le vide ou l'air), les rayons lumineux sont déviés d'un angle de réfraction qui dépe nd donc de la fréquence .

C'est cet effet qui explique la décomposition de la lumière blanche et l 'apparition d'un spectre coloré .

V IT E SSE ET LONGUEUR D'ONDE La longueur d'onde est la distance que parcourt l'onde lumineuse pendant la durée d 'une vibration.

Si on prend l'exemple du bleu de fréquence 7,5.10" Hertz , une oscillation dure 1,3 .10·15 seconde .

Pendant cette durée, la lumière parcourt 0,4 micromètre dans le vide , 0,3 micromètre dans l'eau et 0 ,25 micromètre dans le verre .

Ce sont les longueurs d'onde du bleu dans ces différents milieux.

Lorsqu 'on ne précise pas le milieux, cela sous-entend qu'il s'agit du vide.

INTERFhEN CES, DIFFRACTION L'expérience de Young en 1802 met en évidence une figure formée de franges Synthèse soustractive jaune vert cyan milieu 1 milie u 2 rayon réfracté claires et sombres .

C'est une figure dite " d'interférences » : la lumière interagit avec elle-même pour se renforcer à certains endroits et se détruire à d'autres pour donner les franges .

Le phénomène d'interférences n'est pas rare : tout le monde a déjà constaté des couleurs sur les flaques d'huiles dans les rues, ou sur les bulles de savon.

Bien sûr, l'huile elle même n'est pas colorée.

Lorsque la pellicule de savon a une certaine épaisseur, les interférences entre les deux lumières renvoyées par les deux faces sont telles que l 'une des fréquences (parmi toutes celles qui composent la lumière incidente ) est détruite : si c'est la bleue qui est détru ite, et si la lumière incidente était blanche , la pellicule apparaîtra jaune ( blanc- bleu) à cette endroit.

La diffraction est un phénomène similaire : les couleurs qui apparaissent sur un CD sont dues à ce phénomène .

Interférences et diffraction s'expliquent très bien dans la cadre de la théorie ondulatoire électre - magnétique.

Si l'on veut rendre compte de ce phénomène dans le cadre de la théorie corpu sculaire, avec les photons , il faut obligatoirement passer par la physique quantique où la notion de corpuscule ne conserve pas son sens habitue l, classique .

Toute le monde connaît le phénomène de réflexion : un miroir réfléchit la lumière.

La loi qui régit la réflexion est simple : l'angle de réflexion est égal à l'angle d 'incidence .

La différence entre la lumière renvoyée par un miroir (réflexion) et celle renvoyée par une feuille blanche réside dans le fait qu'en tombant sur la feuille, la lumière repart dans toutes les directions :c 'est la diffusion .

De même, un miroir dont la centaine s de degrés, le spectre émis surface serait fortement dépo lie, couv re bien le visible dans sa partie diffuserait davantage qu'il ne basse fréquence et faible énergie, réfléchirait la lumière .

La diffusion peut rouge : c'est le cas de la plaque également avoir lieu dans un gaz.

Dans chauffante qui ce cas, toutes les fréquences ne sont devien t alors pas diffusées de manière égale : les visible .

Si la hautes fréquences (bleu) sont température beaucoup p lus diffusées que les basses s'élève à 2000°C , (rouge) :c'est ce qui explique la l'émission couvre couleur bleue du ciel.

Au contraire le bien toutes les soleil couchant est rouge , car avant de fréquences du parvenir à nos yeux , la lumière solaire visible :le a perdu toutes ces composantes de filamen t d'une lampe est blanc.

haute fréquence : ne restent donc que les basses ...

Spectre discret Chaque atome est capable POLARISATION d'emmagasiner de l'énergie.

Mais Si l'on fait vibrer à la main une corde de cela ne peut se faire que de manière haut en bas, ou de gauche à droite , ou discrète : l'atome peut ainsi être dans dans une direction quelconque, mais un certain nombre d'états d 'énergie toujours la même, les ondes se bien déterminés .

Les états d 'énergie propageront le long de la corde en intermédiaires ne sont pas possibles.

Le ayant toujours la même direction de niveau d'énergie le pl us bas est appelé vibration (haut-bas, gauche-droite ..

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) : état fondamental , les autres sont des on dira que l'onde est polarisée .

Si en états excrtés .

Un atome excité retourne revanche, d 'un instant à l'autre on spontanément vers son état change la direction dans laquelle notre fondamental et ce faisant émet un main effectue les va-et-vient, l'onde ne photon qui emporte avec lui l'excédent sera pas polarisée .

De même , dans le d 'énergie.

C'est de cette manière que la cas de la lumière , celle-ci est polarisée lumière est produite dans un tube au si la direction d'oscillation du champ néon : e xcité le courant é lectrique , électromagnétique ne change pas au cours du temps .

On peut obtenir cela avec un filtre polarisant.

La lumière ne peut pas franchir deux tels filtres si leurs directions de polarisation sont croisées à angle droit.

LES SOURCES DE LUMIÈRE L a lumière provient de la matière , le gaz néon émet des « photons laquelle peut rayonner de l'énergie rouges » ; le sodium, lui, émet des sous cette forme .

Le spectre de ce « photon s jaunes ».

On obtient ainsi rayonnement peut être continu et une lumière monochromatique .

En fait, dans ce cas une infinité de fréq uences cette lumiè r e n'est pas parfaitement est présente.

Il peut aussi être constituée d'une seule fréquence , mais discontinu : on voit alors un nombre elle est tout de même beaucoup plus limité de fréquences .

Une lampe à pure que celle qui résulte d'une incandescence ordinaire émet un émission thermique .

ë '" spectre continu .

De même une plaque E ~ chauffante de cuisinière chauffée au LA LUMIÈ R E LASER ..

Q.

rouge.

En revanche , la couleur rouge Ce qui différencie une lumière laser "$ " des tubes au néon des enseig nes d 'u ne lumiè re ordinaire n'est pas le fait -g pub licitaires est un spectre discret.

Il en que le faisceau lase r soit parallèle , n i ~ .!11 ~~ est de même, des lampes jaunes qui ;~ éclairent les autoroutes en France.

8.~ l:émission de lumière responsable des .,~ z ..

deux spectres , plaque chauffante et ~ ~ tube au néon, met en jeu deux ..

.., phénomènes très différents.

Dans le ~-~ u:g premier cas, c'est un phénomène u thermique; dans le second , l'émission :::;g est due à l'énergie que les atomes de qu'il soit monochromatique.

La a néon sont capables d 'emmagasiner différence fondamentale réside dans le l!ï avant restitut ion sous forme d'une fait que dans le laser les ondes vibrent "ü~ fréquence correspondant au rouge .

toutes ensemb le, ou en phase comme g. »