Nature et propriétés de la lumière
Objectifs :
Nous avons vu dans les chapitres précédents que la
lumière pouvait être utilisée pour mesurer
des distances dans le domaine du petit
(détermination de l'ordre de grandeur du diamètre
d'un cheveu par diffraction de la lumière), comme à
l'échelle humaine (utilisation des méthodes par
visée ou de l'ombre portée pour déterminer la
distance et les dimensions d'un immeuble) ou encore dans le
domaine du grand (mesure de la distance
Terre - Lune par réflexion de la lumière
émise par un laser).
Quels sont les autres phénomènes que peut subir la lumière et qui sont intéressants pour le physicien ? Pourquoi la lumière peut-elle subir ces phénomènes ?
Quels sont les autres phénomènes que peut subir la lumière et qui sont intéressants pour le physicien ? Pourquoi la lumière peut-elle subir ces phénomènes ?
1. Nature de la lumière
La lumière est de nature ondulatoire.
Elle est constituée :
• soit d’une seule radiation, c’est alors une lumière monochromatique ;
• soit de plusieurs radiations, c’est alors une lumière polychromatique.
À chaque radiation correspond une couleur bien déterminée.
Chaque radiation est caractérisée par une grandeur physique, appelée longueur d’onde, notée λ et exprimée en mètre.
Exemples :
La lumière d’un laser Hélium – Néon est monochromatique ; sa radiation est rouge et a une longueur d’onde λ = 633 nm.
La lumière blanche émise par le Soleil ou par une lampe à incandescence est polychromatique : elle contient une infinité de radiations (toutes celles dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 et 700 nm, c’est-à-dire toutes les couleurs de l’arc en ciel, allant du violet au rouge).
Les ondes lumineuses visibles par l’Homme ont toutes des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm.
Si λ < 400 nm : domaine des ondes UV.
Si λ > 700 nm : domaine des I.R.
Illustration animée : Le spectre électromagnétique.
Le spectre visible est compris entre 400 et 700 nm. Cliquer puis faire glisser la règle pour savoir à quoi correspondent les longueurs d'ondes situées au-delà du visible.
Elle est constituée :
• soit d’une seule radiation, c’est alors une lumière monochromatique ;
• soit de plusieurs radiations, c’est alors une lumière polychromatique.
À chaque radiation correspond une couleur bien déterminée.
Chaque radiation est caractérisée par une grandeur physique, appelée longueur d’onde, notée λ et exprimée en mètre.
Exemples :
La lumière d’un laser Hélium – Néon est monochromatique ; sa radiation est rouge et a une longueur d’onde λ = 633 nm.
La lumière blanche émise par le Soleil ou par une lampe à incandescence est polychromatique : elle contient une infinité de radiations (toutes celles dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 et 700 nm, c’est-à-dire toutes les couleurs de l’arc en ciel, allant du violet au rouge).
Les ondes lumineuses visibles par l’Homme ont toutes des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm.
Si λ < 400 nm : domaine des ondes UV.
Si λ > 700 nm : domaine des I.R.
Illustration animée : Le spectre électromagnétique.
Le spectre visible est compris entre 400 et 700 nm. Cliquer puis faire glisser la règle pour savoir à quoi correspondent les longueurs d'ondes situées au-delà du visible.
2. Propriétés de la lumière
a. Réflexion et réfraction de la
lumière
En traversant la surface de séparation entre deux
milieux transparents, un rayon lumineux (non
perpendiculaire à cette surface) peut :
• être renvoyé par la surface sans la traverser : on dit que le rayon lumineux est réfléchi. C’est le phénomène de « réflexion » de la lumière.
• traverser la surface en changeant de direction : on dit que le rayon lumineux est dévié ou réfracté. C’est le phénomène « réfraction » de la lumière.
• être renvoyé par la surface sans la traverser : on dit que le rayon lumineux est réfléchi. C’est le phénomène de « réflexion » de la lumière.
• traverser la surface en changeant de direction : on dit que le rayon lumineux est dévié ou réfracté. C’est le phénomène « réfraction » de la lumière.
b. Dispersion d'une lumière polychromatique
Tout système dispersif, par exemple un
prisme, peut séparer les différentes couleurs
qui composent une lumière polychromatique. La
lumière polychromatique est alors dispersée ou
décomposée.
Après dispersion, on obtient le spectre de la lumière polychromatique.
Exemples :
Après dispersion de la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure, on obtient un spectre constitué de 4 radiations : cette lumière est donc polychromatique.
L’arc en ciel est la manifestation naturelle de la dispersion de la lumière blanche émise par le Soleil ; au cours de ce phénomène, ce sont les gouttes d’eau qui jouent le rôle de système dispersif.
Après dispersion, on obtient le spectre de la lumière polychromatique.
Exemples :
Après dispersion de la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure, on obtient un spectre constitué de 4 radiations : cette lumière est donc polychromatique.
L’arc en ciel est la manifestation naturelle de la dispersion de la lumière blanche émise par le Soleil ; au cours de ce phénomène, ce sont les gouttes d’eau qui jouent le rôle de système dispersif.
L'essentiel
La lumière peut subir divers phénomènes :
diffraction, réflexion, réfraction,
dispersion, ...
Des lois, les lois de Descartes, permettent d’obtenir des relations simples entre les angles mis en jeu au cours des phénomènes de réflexion et de réfraction.
L’étude des spectres obtenus après dispersion permet de connaître la température, la composition chimique d’un corps. C’est une méthode très utilisée en astrophysique pour déterminer la composition chimique des enveloppes gazeuses du Soleil ou de toute autre étoile.
Des lois, les lois de Descartes, permettent d’obtenir des relations simples entre les angles mis en jeu au cours des phénomènes de réflexion et de réfraction.
L’étude des spectres obtenus après dispersion permet de connaître la température, la composition chimique d’un corps. C’est une méthode très utilisée en astrophysique pour déterminer la composition chimique des enveloppes gazeuses du Soleil ou de toute autre étoile.
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