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Notion de lumière colorée : démarche expérimentale

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Objectif(s)
Savoir décomposer expérimentalement la lumière d’une source lumineuse. Observer les spectres de sources polychromatiques et monochromatiques. Étudier différentes sources de lumière blanche. Aborder par l’expérience la notion de température de couleur.
1. Etude de lumières colorées
a. L.A.S.E.R. rouge
Avec un prisme, on tente de décomposer la lumière émise par un L.A.S.E.R. rouge.



La lumière du L.A.S.E.R. est déviée par réfractions sur le prisme, mais ne s’étale pas à sa sortie. Cela a pour effet de donner une seule raie brillante sur le spectre, de longueur d’onde 635 nm. La lumière produite par le L.A.S.E.R. est monochromatique.
b. Filtre rouge
On considère une source de lumière blanche. On applique un diaphragme afin de ne laisser passer qu’un faisceau lumineux. Des lentilles peuvent être employées afin de focaliser les rayons (non représentées sur le schéma). On rajoute ensuite un filtre rouge. Le pinceau de lumière rouge produit est décomposé par le prisme.


 

Le spectre est composé d’un ensemble continu de radiations rouges, obtenues par transmission à travers le filtre. Les autres radiations de la lampe ont été absorbées par le filtre. Le spectre n’est pas constitué d'une raie brillante, mais d'une bande. La lumière produite par le montage n’est pas monochromatique comme pour le L.A.S.E.R., car son spectre est continu, donc polychromatique.
c. Diode électroluminescente rouge
La manipulation est refaite avec une diode électroluminescente rouge (non L.A.S.E.R.), de longueur d’onde 635 nm d’après son fabriquant. Le système optique de décomposition {prisme+écran} est remplacé par un spectrophotomètre à fibre optique, ce qui permet de visualiser le spectre sur un ordinateur. On a :


La diode génère une lumière rouge, dont la longueur d’onde la plus émise est bien de 635 nm. Le spectre est plus étroit qu’avec le filtre rouge, mais reste continu ; il n’est pas observé une raie unique, comme avec le L.A.S.E.R. La lumière émise par la diode est ainsi polychromatique.
2. La lumière blanche
a. Spectres de lumière blanche
La lumière est perçue par l’œil comme une couleur. Cependant, si on l’envoie sur un prisme, elle sera décomposée. Pour une lumière blanche émise par une lampe :


 

On perçoit le blanc comme une couleur, mais les couleurs qui composent le spectre, nommées couleurs spectrales, sont le violet, le bleu, le cyan, le vert, le jaune, l’orange et le rouge.

 


Pour produire de la lumière blanche, on étudie trois sources différentes :
• Lampe à incandescence/halogène : le spectre est continu. Chaque longueur d’onde du visible est plus ou moins représentée.


• Tube fluorescent/lampe fluocompacte : le spectre est continu, mais des pics sont observables : la désexcitation du gaz se trouvant dans le tube produit ces rayonnements, qui seront ensuite transformés en lumière blanche par fluorescence d’une poudre, ce qui créera le spectre continu.


• Associations de trois diodes électroluminescentes Rouge/Vert/Bleu : le spectre total est en fait la somme des spectres des 3 DEL. Le blanc est obtenu par synthèse trichromatique additive. D’autres couleurs peuvent être obtenues en éteignant une ou deux des 3 diodes.

Même si les trois spectres sont très différents, la lumière perçue par les sources étudiées est blanche. Une différence peut venir de leur température de couleur.
b. Température de couleur
La température de couleur est une notion abordée avec la loi de Wien. Expérimentalement, on observe à l’œil nu la lumière émise par des sources lumineuses blanches ayant des températures de couleur différentes.

Plus la température de couleur est élevée, plus le spectre se décalera vers le bleu, ou comportera une forte représentation des radiations bleues.
L'essentiel
L’étude des radiations visibles émises par des sources lumineuses est effectuée avec le spectre de ces radiations. Le spectre est produit en décomposant la lumière avec un prisme, ou avec un spectrophotomètre à fibre optique. Cette dernière solution présente l’avantage de faire apparaître la proportion de chaque longueur d’onde dans le spectre.

Une radiation monochromatique, comme avec un L.A.S.E.R., ne sera pas décomposée par un prisme, et donnera un spectre avec une seule raie brillante.

La lumière blanche est polychromatique. Elle peut être obtenue par différentes sources lumineuses. Même si les spectres de ces sources n’ont pas le même aspect, la lumière apparaîtra comme blanche. Des nuances de blancs sont cependant perceptibles si les sources présentent différentes températures de couleur.

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