Fiche de cours
Ondes lumineuses : mono/polychromatiques
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
Objectifs
• Rappeler quelques notions importantes relatives aux
radiations électromagnétiques, y compris la
lumière visible.
• Expliquer le phénomène de dispersion de la lumière, utilisé par un prisme optique pour décomposer la lumière.
• Caractériser alors une lumière polychromatique et monochromatique.
• Expliquer le phénomène de dispersion de la lumière, utilisé par un prisme optique pour décomposer la lumière.
• Caractériser alors une lumière polychromatique et monochromatique.
1. La lumière
a. Rappels
Dans le vide, toutes les radiations
électromagnétiques, dont la lumière,
se propagent à la célérité
. D'autre part, le lien entre la fréquence
f (en Hz) d'une onde
électromagnétique et sa longueur d'onde
λ (en m) dans le vide est donné par
, où la
célérité est en
m.s-1.
Dans l'air, la célérité de la lumière est proche de c. Par contre, dans un milieu matériel transparent, comme le verre ou l'eau, la célérité v de la lumière est plus faible que dans le vide. Elle est donnée par l'indice optique de réfraction n (sans dimension) du milieu de propagation, car nous avons
, avec n ≥ 1. Quand
une radiation lumineuse change de milieu, sa
célérité et sa longueur d'onde
peuvent varier, mais pas sa fréquence.
. D'autre part, le lien entre la fréquence
f (en Hz) d'une onde
électromagnétique et sa longueur d'onde
λ (en m) dans le vide est donné par
, où la
célérité est en
m.s-1.Dans l'air, la célérité de la lumière est proche de c. Par contre, dans un milieu matériel transparent, comme le verre ou l'eau, la célérité v de la lumière est plus faible que dans le vide. Elle est donnée par l'indice optique de réfraction n (sans dimension) du milieu de propagation, car nous avons
, avec n ≥ 1. Quand
une radiation lumineuse change de milieu, sa
célérité et sa longueur d'onde
peuvent varier, mais pas sa fréquence.
b. Le domaine du visible
L’œil humain n’est sensible
qu’à certaines fréquences du
spectre
électromagnétique. Ce sont
celles qui appartiennent au domaine de la lumière
visible, dont les fréquences sont comprises
entre 3,8 .1014 Hz et 7,5.1014 Hz.
Cela correspond à un domaine en longueur d'onde
dans le vide compris entre 400 nm et 800 nm
environ (1 nm = 10–9 m).
c. Le spectre électromagnétique
→ Les ultraviolets (UV) ont des longueurs
d’onde dans le vide plus faibles que
celles du visible, comprises entre 10 nm et 400
nm.
Cela signifie que les photons UV sont plus
énergiques que les photons du visible
(d'après la relation donnant l'énergie E
d'un photon : 
, où h est la constante de
Planck).
Les UV à courtes longueurs d’onde émis par le Soleil, nocifs pour l’Homme ou pour la vie en général, sont absorbés par la couche d’ozone dans la haute atmosphère.
, où h est la constante de
Planck).Les UV à courtes longueurs d’onde émis par le Soleil, nocifs pour l’Homme ou pour la vie en général, sont absorbés par la couche d’ozone dans la haute atmosphère.
→ Les infrarouges (IR) sont des longueurs
d’ondes dans le vide plus grandes que
celles du visible, elles sont comprises entre 800 nm
et 100 µm (1 µm = 10–6
m).
Ils font partie du rayonnement thermique émis
par les corps (cf loi de Wien, vue en
1ère S).
→ D’autres domaines existent et sont utilisés dans la vie courante (domaine hertzien, rayons X).
Illustration animée : Le spectre électromagnétique.
Longueurs d'onde et fréquences correspondantes de différents domaines.
(Cliquer puis faire glisser la règle pour savoir à quoi correspondent les longueurs d'ondes situées au-delà du visible.)
2. La lumière polychromatique avec
l'expérience de Newton
a. Le phénomène de dispersion de la
lumière par un prisme
→ On dit qu’un milieu est dispersif si la
célérité d’une onde dans ce
milieu dépend de sa fréquence.
Dans le vide, toutes les radiations lumineuses ont
la même célérité. On dit donc
que le vide est un milieu non dispersif. Par contre,
certains matériaux, comme le verre flint, sont
fortement dispersifs pour les radiations lumineuses
visibles.→ Considérons deux milieux 1 et 2, d’indices de réfraction n1 et n2, séparés par une surface (nommée dioptre en optique) que nous considérerons comme plane. On définit la normale à cette surface par une droite qui lui est perpendiculaire.
Quand un rayon lumineux passe d’un milieu
à l’autre, l’angle qu’il fait
avec la normale est modifié. C’est le
phénomène de réfraction,
décrit par la loi de Snell-Descartes sur la
réfraction :
n1 × sin(i1) = n2 × sin(i2)
i1 (en degrés ou en
radians) est l'angle fait avec la normale dans le milieu
1, et i2 celui dans le milieu 2.
→ Puisque l'indice n est relié à la célérité de la radiation lumineuse dans le milieu, et comme les radiations lumineuses n'ont pas la même célérité dans un milieu dispersif, alors chaque radiation lumineuse a son propre indice de réfraction dans un tel milieu.
Un prisme est composé d'un milieu dispersif, comme du verre flint. L'idée est d'envoyer les radiations lumineuses selon un angle d'incidence donné, non nul par rapport à la normale, afin de provoquer une première réfraction sur l'interface air/verre (en entrée du prisme), puis une autre sur l'interface verre/air (en sortie du prisme).
Dans cette configuration, chaque radiation aura un angle de réfraction différent des autres, et sera donc déviée différemment. Cela permet ainsi de décomposer la lumière en fonction de la fréquence/longueur d'onde des radiations qui la composent.
b. Dispersion de la lumière blanche par un
prisme
Newton a constaté qu’en éclairant un
prisme avec de la lumière blanche émise par
le Soleil, celle-ci sortait du prisme en étant
déviée, et qu’elle se
décomposait en lumières de toutes les
couleurs de l’arc-en-ciel. Il en a déduit
que la lumière blanche est composée de
toutes ces couleurs, que le prisme nous permet de
séparer les unes des autres.
On obtient alors un spectre continue s'étalant du violet (λ = 400 nm) au rouge (λ = 800 nm). La lumière blanche, émise par le Soleil ou une lampe, est donc composée de plusieurs longueurs d'onde (ici, une infinité). En conséquence, on dit que la lumière blanche est polychromatique.
Remarques :
→ Le spectre solaire comporte des raies d’absorption, nommées raies de Fraunhofer (cf programme de 1ère S).
→ Comme vu en 1ère S, on peut obtenir de la lumière blanche avec trois couleurs (ou même trois longueurs d’onde) différentes : du rouge, du vert et du bleu (synthèse trichromatique additive). Une lumière blanche artificielle n’a donc pas forcément un spectre continu comme celui que nous venons de trouver, mais il est forcément polychromatique.
→ Le prisme n’est pas le seul outil d’optique permettant d’établir un spectre. Un réseau de diffraction peut également décomposer la lumière, comme la surface d’un CD (cf cours sur la diffraction).
On obtient alors un spectre continue s'étalant du violet (λ = 400 nm) au rouge (λ = 800 nm). La lumière blanche, émise par le Soleil ou une lampe, est donc composée de plusieurs longueurs d'onde (ici, une infinité). En conséquence, on dit que la lumière blanche est polychromatique.
Remarques :
→ Le spectre solaire comporte des raies d’absorption, nommées raies de Fraunhofer (cf programme de 1ère S).
→ Comme vu en 1ère S, on peut obtenir de la lumière blanche avec trois couleurs (ou même trois longueurs d’onde) différentes : du rouge, du vert et du bleu (synthèse trichromatique additive). Une lumière blanche artificielle n’a donc pas forcément un spectre continu comme celui que nous venons de trouver, mais il est forcément polychromatique.
→ Le prisme n’est pas le seul outil d’optique permettant d’établir un spectre. Un réseau de diffraction peut également décomposer la lumière, comme la surface d’un CD (cf cours sur la diffraction).
c. Spectre d'une lampe à vapeur de mercure
Il existe aussi des lumières
polychromatiques qui ne sont constituées
que de quelques radiations de longueurs d’onde
différentes. Dans ce cas, on obtient un
spectre de raies (spectre discontinu) dont
les raies correspondent aux longueurs d’onde
constituant la lumière étudiée.
C’est par exemple le cas avec une lampe à vapeur de mercure. Le schéma suivant donne une vision du montage qui nous permettrait d’établir ce spectre.
C’est par exemple le cas avec une lampe à vapeur de mercure. Le schéma suivant donne une vision du montage qui nous permettrait d’établir ce spectre.
3. Notion de radiation monochromatique
Une source lumineuse qui émet une lumière
composée d'une unique fréquence/longueur
d'onde est une source
monochromatique. Dans ce cas, on obtient un
spectre composé d'une seule raie qui
correspond à la radiation émise par la
source.
Dans l'expérience du prisme, lorsqu’on remplace la source de lumière blanche par un laser, le prisme dévie le faisceau du laser mais ne la décompose pas : on a une seule raie brillante.
Le laser génère une lumière monochromatique qui est constituée d'une radiation unique. Cette radiation est caractérisée par sa fréquence ou sa longueur d'onde.
Ainsi, la lumière du laser utilisée pour notre expérience est caractérisée par une radiation de longueur d'onde λ = 720.10–9 m = 720 nm (rouge).
L'essentiel
Dans le spectre électromagnétique, la
lumière visible se situe dans un domaine en
longueurs d'onde (dans l'air ou dans le vide) comprises entre
400 nm et 800 nm. En deçà, se situent
les ultraviolets (entre 10 nm et 400 nm) et
au-delà, les infrarouges (entre 800 nm et 1
mm).
Pour établir le spectre d’une lumière, on peut faire appel à un prisme. Via le phénomène de dispersion de la lumière, on décompose ainsi la lumière pour obtenir les différentes radiations qui la composent.
Une lumière monochromatique ne contient qu’une seule radiation de fréquence bien définie.
Une lumière polychromatique est constituée plusieurs fréquences. Il peut s’agir de quelques fréquences (spectres de raies), ou d’une infinité (spectre continu).
Pour établir le spectre d’une lumière, on peut faire appel à un prisme. Via le phénomène de dispersion de la lumière, on décompose ainsi la lumière pour obtenir les différentes radiations qui la composent.
Une lumière monochromatique ne contient qu’une seule radiation de fréquence bien définie.
Une lumière polychromatique est constituée plusieurs fréquences. Il peut s’agir de quelques fréquences (spectres de raies), ou d’une infinité (spectre continu).
Évalue ce cours !
Des quiz et exercices pour mieux assimiler sa leçon
La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des quiz et exercices en accompagnement de chaque fiche de cours. Les exercices permettent de vérifier si la leçon est bien comprise ou s’il reste encore des notions à revoir.
Des exercices variés pour ne pas s’ennuyer
Les exercices se déclinent sous toutes leurs formes sur myMaxicours ! Selon la matière et la classe étudiées, retrouvez des dictées, des mots à relier ou encore des phrases à compléter, mais aussi des textes à trous et bien d’autres formats !
Dans les classes de primaire, l’accent est mis sur des exercices illustrés très ludiques pour motiver les plus jeunes.
Des quiz pour une évaluation en direct
Les quiz et exercices permettent d’avoir un retour immédiat sur la bonne compréhension du cours. Une fois toutes les réponses communiquées, le résultat s’affiche à l’écran et permet à l’élève de se situer immédiatement.
myMaxicours offre des solutions efficaces de révision grâce aux fiches de cours et aux exercices associés. L’élève se rassure pour le prochain examen en testant ses connaissances au préalable.
Des vidéos et des podcasts pour apprendre différemment
Certains élèves ont une mémoire visuelle quand d’autres ont plutôt une mémoire auditive. myMaxicours s’adapte à tous les enfants et adolescents pour leur proposer un apprentissage serein et efficace.
Découvrez de nombreuses vidéos et podcasts en complément des fiches de cours et des exercices pour une année scolaire au top !
Des podcasts pour les révisions
La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des podcasts de révision pour toutes les classes à examen : troisième, première et terminale.
Les ados peuvent écouter les différents cours afin de mieux les mémoriser en préparation de leurs examens. Des fiches de cours de différentes matières sont disponibles en podcasts ainsi qu’une préparation au grand oral avec de nombreux conseils pratiques.
Des vidéos de cours pour comprendre en image
Des vidéos de cours illustrent les notions principales à retenir et complètent les fiches de cours. De quoi réviser sa prochaine évaluation ou son prochain examen en toute confiance !
Fiches de cours les plus recherchées
Fermer
Accédez gratuitement à
