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Projet multidisciplinaire LA LUMIÈRE
P H Y S I Q U E
La Lumière
La lumière résulte du mouvement de la matière. D'un point de vue historique, il y avait plusieures théories sur la nature de la lumière. Beaucoup de scientifiques pensaient que la lumière est de nature corpusculaire, et d'autres considéraient qu'elle est de nature ondulatoire. Des expériences ont montré qu'en fait tout le monde avait raison, et qu'on peut attribuer à la lumière une nature duale. La théorie qui explique cette nature duale est la théorie quantique, c'est-à-dire celle du rayonnement électromagnetique. Elle explique les processus de l'émission et de l'absorption par le comportement corpusculaire de la lumière, et les phénomènes liés à la propagation, par son comportement ondulatoire.
Les phénomènes de base liés à la propagation de la lumière sont :
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Si, on contemple, une source de lumière forte, on aperçoit des taches brouillées dans notre champ de vision. Elles sont une conséquence de la diffraction de lumière sur les globules rouges qui se trouvent devant la tache jaune sur la rétine. |
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1. lumière monochromatique 2. ecran avec des fentes 3. image d'interférence |
La lumière de l'arc-en-ciel est polarisée-c'est une conséquence de la réfraction et réflexion sur les gouttes de pluie.
Le spectre
Ce qu'on appelle lumière blanche ou solaire est la lumière usuelle, celle du jour. La lumière se décompose en plusieures ondes qui ont différentes fréquences, et que l'oeil aperçoit comme des couleurs : rouge, orange, jaune, verte, bleue et violette. Ce phénomène s'appelle la dispersion. Ces ondes forment un faisceau de bandes parallèles qu'on appelle le spectre. Les couleurs d'un arc-en-ciel sont les couleurs du spectre. L'arc-en-ciel est le résultat de la décomposition de la lumière du Soleil. La lumière blanche se décompose dans une goutte d'eau de la même manière que dans un prisme. On ne voit l'arc-en-ciel que lorsqu'il y a du soleil et de la pluie en même temps. L'observateur de ce phénomène doit placer son dos au soleil.
Comme l'indice du matériau dont est fait le prisme est fonction de la longueur d'onde, le prisme sépare la lumière en ses composantes. Ce fait est utilisé dans la spectroscopie.
Absorption de lumière
La lumière est porteuse de l'énergie qui peut être absorbée sur des objets matériels. Certains corps absorbent juste quelques fréquences du spectre électromagnétique. Les couleurs qu'on voit ne sont pas contenues dans les objets mais dans la lumière à l'aide de laquelle on les voit. Une feuille verte est verte parce qu'elle absorbe toutes les couleurs sauf la verte qu'elle réfléchit. Les tissus blancs réfléchissent toute la lumière et chaleur incidentes, tandis que les tissus noirs les absorbent. C'est pour cette raison qu'on a moins chaud lorsqu'on est habillé en blanc qu'en noir. Les corps qui absorbent de petites quantités de lumière visible sont dits transparents.
| Les morceaux de tissus de couleurs différentes plantés
dans la neige et exposés à
la lumière solaire auront atteint des profondeurs différentes. |
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Le filtre optique est l'appareil qui sert à varier l'intensité de lumière et qui fonctionne grâce au phénomène de l'absorption. Les lunettes de soleil en sont un exemple.
Les lunettes de soleil peuvent être polarisées. Elles amortissent l'éclat de lumière solaire.
Les lunettes photosensible sont des verres qui deviennent sombres sous l'exposition à la lumière forte, et redeviennent transparentes lorsque la lumière s'affaiblit.
Applications de la réflexion
Miroirs
Une fraction de lumière incidente sur une surface se réflechit. C'est à cause de la réflexion qu'on peut voir les objets qui nous entourent. La surface qui réfléchit la lumière de manière régulière est un miroir. Ceci peut être une plaque de verre métalisée ou une plaque en métal polie. Le miroir peut être plan ou courbé (concave ou convexe). On utilise les miroirs concaves dans la construction des télescopes.
Périscope
Le périscope est l'instrument optique qui permet de voir par-dessus un obstacle. Ses composantes de base sont l'oculaire, deux miroirs ou deux prismes entre lesquelles il se trouve deux verres optiques. L'un diminue et inverse l'image tandis que l'autre la rectifie et l'augmente. On peut utiliser le périscope dans une guerre, pour observer l'ennemi sans sortir de la tranchée. On utilise le périscope d'artillerie comme un appareil supplémentaire de ciblage. On peut y implementer un appareil à lumière infrarouge pour l'utilisation nocturne. Le périscope sous-marin est le plus complexe. Il comporte des lunettes qui agrandissent l'image plusieures fois, et il peut comporter aussi un télémètre, altimètre, radar, ou un appareil aux rayons infrarouges.
Applications de la réflexion totale
Fibres optiques
Grâce au phénomène de réflexion totale on peut transmettre l'information optique (la lumière, l'image, l'impulsion) d'un bout d'une fibre optique à l'autre. Ces fibres sont des fils en verre transparents, assez fins pour qu'on puisse les plier sans les casser. La lumière à l'intérieur d'une fibre ne peut pas en sortir.
Lasers
L'énergie laser peut être dirigée avec une grande précision, et elle est très puissante. On utilise les lasers dans les télécommunications, pour des mesures très précises, découpage d'objets, en astronomie radio, en holographie, spectroscopie, en médicine.
Hologrammes
Un hologramme peut être qualifié comme une photographie en trois dimensions. On l'obtient grâce à un faisceau laser dirigé vers l'objet qu'on veut photographier. La forme de l'objet est enrégistrée sur une pellicule spéciale qui doit être éclairée par de la lumière laser aussi.
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1. Laser
2. Miroir 3. Objet materiéle 4. Pellicule |
Mirage
Le mirage est formé par les rayons lumineux venant d'un objet qui sont réflechis sur une couche d'air dense sous un angle très faible. Dans cette couche, les rayons dévient de la trajectoire rectangulaire et ils arrivent jusqu'à l'observateur comme s'ils étaient réfléchis contre un miroir, mais on les voit tordus, en double, et plus haut qu'ils ne le sont en réalité. Le mirage est observable dans les déserts et sur la mer.
Mirage dans le désert |
Mirage sur la mer |
Effet photoélectrique
Les photons sont les particules de lumière porteuses de l'énergie E=hf où h est la constante de Planck, et f la fréquence de la lumière. Plus la fréquence est grande (ce qui correspond aux petites longueurs d'onde), plus l'énergie contenue dans la lumière est grande. Les photons peuvent dégager des électrons de leurs atomes et c'est ce qu'on appelle l'effet photoélectrique. Lorsqu'un atome absorbe un photon, il fait une transition vers un état excité. Lors de la transition vers l'état non excité, l'atome reémet le photon. C'est sur ce principe que marchent les lasers. Les lasers émettent de la lumière cohérente, ce qui signifie que les ondes lumineuses émises ont des amplitudes et fréquences égales, et une différence de phase constante. La plupart de sources lumineuses n'émettent pas un rayonnement cohérent.
