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Expliquer la couleur des objets

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Objectifs
  • Définir la notion de couleur d’un objet.
  • Expliquer la diffusion, l’absorption et la transmission de la lumière.
  • Montrer l’importance de la source lumineuse pour l’observation des couleurs.
Points clés
  • La couleur d’un objet est liée à la propriété de ce dernier à réémettre certaines radiations lumineuses visibles, par réflexion ou par transmission. Les autres radiations sont quant à elles absorbées par l’objet.
  • La couleur que l’on voit d’un objet ne correspond réellement à sa « vraie » couleur que si celui-ci est éclairé en lumière blanche. Si on emploie, par exemple, une lumière colorée par l’utilisation de filtres, alors la couleur perçue pourra être très différente de la couleur réelle de l'objet.
  • La couleur d’un objet est liée à sa nature physique ou chimique et dépend de la nature de la lumière qui l’éclaire.
Pour bien comprendre
  • Synthèse additive et soustractive
  • Spectre de la lumière blanche
  • Réflexion

La couleur d’un objet peut sembler être un attribut que l’on ne peut pas modifier facilement : la voiture rouge, le train jaune, etc.

Pourtant, à moins que l’objet soit lui-même source de lumière (comme une lampe), il ne fait finalement que renvoyer la lumière, ou une partie de la lumière, qu’une source lumineuse lui communique. La couleur perçue d’un objet pourrait-elle également dépendre de quelque chose autre que l’objet lui-même ?

1. Les sources de lumière primaires et secondaires

On peut distinguer deux types de sources de lumières.

  • Les sources primaires, qui correspondent aux corps émettant de la lumière par eux-mêmes.
    Exemples
    Une lampe, un tube fluorescent, le Soleil, un L.A.S.E.R.
  • Les sources secondaires, qui sont associées à tous les objets qui n’émettent pas par eux-mêmes de radiations lumineuses visibles.
    Exemples
    La lune, un mur blanc, des objets.

Dans l’obscurité, les sources secondaires ne sont pas visibles. Ces objets peuvent par contre réémettre certaines radiations reçues à partir d’autres sources lumineuses. Ce sont eux que nous allons étudier par la suite.

2. La couleur des objets
a. Diffusion de la lumière par des objets opaques

Pour un objet opaque (autre qu’un miroir), la lumière reçue par une source primaire est diffusée par réflexion. Les radiations sont ainsi réémises dans toutes les directions possibles, jusqu’à parvenir vers l’œil, où l’on voit alors l’objet.


Diffusion de la lumière par réflexion
b. Absorption de la lumière par les objets

L’objet peut absorber une partie de la lumière en fonction de sa nature physique ou chimique. Une fois que l’objet reçoit de la lumière d’une source primaire, il ne renverra pas forcément toutes les radiations lumineuses de cette source.

En effet, la lumière blanche émise par le Soleil ou une lampe est composée de plusieurs couleurs. On peut d’ailleurs la décomposer pour obtenir son spectre.


Spectre de la lumière blanche

On observe ci-dessous des objets de différentes couleurs éclairés par des lumières blanche ou verte.


Couleur d’un objet éclairé par différentes couleurs

On remarque que :

  • un objet blanc réémet toutes les radiations visibles ;
  • un objet noir absorbe quasiment toutes les radiations visibles ;
  • si un objet est éclairé en lumière blanche et nous apparait comme rouge, c’est donc qu’il absorbe toutes les radiations sauf le rouge ;
  • si la lumière éclairant l’objet n’est pas blanche, mais verte par exemple, alors un objet rouge ne réémettra pas de lumière : l’objet rouge sera vu noir car la lumière verte ne contient pas de rouge.
c. La transmission de la lumière

Pour les objets transparents ou translucides, comme par exemple un sirop de menthe, la lumière peut être également transmise en passant à travers l’objet.

Tout ce qui a été vu pour la diffusion par les objets opaques restera valable. La lumière qui ne sera pas absorbée par l’objet sera transmise et visible par un observateur situé derrière l’objet.


Diffusion de la lumière par transmission

Les radiations lumineuses diffusées par un objet par réflexion ne sont pas forcément les mêmes que celles transmises par un objet, si bien sûr celui-ci n’est pas totalement opaque. La couleur d’un objet par transmission va donc dépendre de sa composition.

Exemple
Une main parait rouge lorsqu’elle est traversée par une lumière blanche de forte intensité (comme celle d’une lampe de bureau).
d. Conclusion

En résumé, voici les différents mécanismes de réception de lumière par un objet.


Diffusion, transmission et absorption de la lumière par un objet
La couleur d’un objet dépend donc de sa nature, de sa couleur, de la lumière qui l’éclaire et de l’observation en transmission ou en diffusion.
3. L’approche expérimentale
a. Expérience

On considère une surface blanche, sur laquelle on dispose des disques colorés opaques, comme indiqué sur l’image ci-après.

En éclairant la scène avec de la lumière blanche, la couleur habituelle des objets est ainsi facilement observable.

Maintenant, si on applique des filtres colorés en sortie de la source de lumière, on obtient les résultats suivants.

En fonction de la couleur de l’éclairage, les disques peuvent être perçus selon des couleurs autres que leur couleur « normale ». Il est même possible que certains apparaissent noirs !

b. Explications de l’expérience

On utilise la synthèse additive des couleurs pour expliquer ces résultats.


Synthèse additive des couleurs

On remarque par exemple qu’en appliquant le filtre rouge (la lumière devient rouge) :

  • les objets rouge, jaune et magenta apparaissent rouges ;
  • les objets vert, cyan et bleu apparaissent noirs.

Ceci s’explique par le fait qu’en synthèse additive des couleurs, le magenta et le jaune contiennent du rouge alors que le cyan, le bleu et le vert n’en contiennent pas.

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