Grand oral du bac : Sciences: LA LUMIÈRE
Publié le 27/01/2019
Extrait du document
En 1801, le scientifique anglais Thomas Young réalisa des expériences sur la diffraction de la lumière. En faisant passer un pinceau de lumière par une fente étroite, le rayon ne se déplace plus en ligne droite mais se disperse légèrement. Pour expliquer ce phénomène de diffraction, Young est obligé de faire appel à la conception ondulatoire de la lumière. En 1864, l'Écossais James Clerk Maxwell présente la théorie selon laquelle l'énergie électromagnétique se propage sous forme d'ondes, et définit la lumière comme une forme particulière de vibrations électromagnétiques.
Or, au début du xxe siècle, le chercheur allemand Max Planck démontre que l'énergie des rayonnements lumineux ne peut exister que par petits paquets d'énergie, appelés quanta. Il posait ainsi les fondements de la théorie quantique de la lumière qui, en 1918, lui valut le prix Nobel de physique. Le quantum de rayonnement lumineux est une particule élémentaire appelée pho-ton. Lorsque la lumière est émise ou absorbée, elle se comporte comme un jet de photons.
Comme on le voit, la << nature » de la lumière est difficile à cerner. Bien qu'elle puisse être décrite comme une série d'ondes, elle se comporte aussi parfois comme des particules. C'est pourquoi on parle de la dualité onde-particule de la lumière et, pour expliquer leurs observations, les scientifiques peuvent avoir recours à la fois aux théories ondulatoire et corpusculaire.
La production de lumière
La lumière peut provenir de diverses sources d'énergie. Le Soleil émet de la lumière et d'autres rayonnements électromagnétiques par de puissantes réactions de fusion nucléaire au cours desquelles l'hydrogène se transforme en hélium. Quand on brûle du bois ou du charbon, la combustion donne de la chaleur et de la
La lumière est visible lorsqu’elle frappe .. une sufface. Pour produire des effets spectaculaires lots des concerts, on utilise des groupes fumigènes qui emplissent l’air de particules de fumée.
lumière. Les ampoules électriques transforment l'électricité en lumière lorsque l'on fait circuler un courant dans un fin filament métallique.
Le principe des tubes fluorescents est différent : on applique une forte tension aux deux extrémités d'un tube contenant une vapeur à basse pression. Sous cet effet, la vapeur scintille et dégage un rayonnement ultraviolet qui frappe le revêtement chimique des parois internes du tube. Ce revêtement absorbe les rayons ultraviolets invisibles et libère de l'énergie sous forme de lumière. Ce processus de conversion des rayonnements s'appelle la fluorescence. La phosphorescence est un effet proche, à ceci près que le scintillement persiste longtemps après que la source lumineuse a disparu. La fluorescence et la phosphorescence sont des phénomènes de luminescence (production de lumière par tout autre moyen que le chauffage à haute température).
Certains organismes vivants, comme les lucioles et certains poissons, champignons et bactéries, produisent de la lumière par bioluminescence. Ici, la lumière provient de l'énergie chimique dégagée par l'oxydation d'une sub-
Gregory Heisler/Cosmos Ken l-ucas/Planet Earth/Plx
▲ Cette méduse, d’apparence gélatineuse, est une véritable comète de l’océan.
stance appelée luciférine. L'une des sources lumineuses les plus précieuses est le laser, initiales anglaises signifiant amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement. Un tube laser utilise l'électricité pour exciter les atomes et provoquer l'émission de photons.
Le faisceau laser
En fonction de la substance utilisée pour exciter les atomes, les photons sortent du tube sous la forme d'un mince faisceau de lumière ou d'une radiation proche. Contrairement à la lumière ordinaire, la lumière émise par laser est cohérente. C'est-à-dire que toutes les ondes lumineuses sont synchronisées sur une même trajectoire.
Ce fin rayon lumineux, à haute température, offre de nombreuses applications : il permet par exemple de «souder» des tissus biologiques en chirurgie, de découper des plaques d'acier, et de transmettre des signaux de communication.
«
La
lumière
dispersion correspond à la décomposition de la
lumière blanche en faisceaux colorés : c'est ainsi
qu'un arc-en-ciel apparaît lorsque des gouttes de
pluie dispersent la lumière solaire.
Les ondes électromagnétiques
La lumière visible n'occupe qu'une place très
modeste sur l'immense échelle des rayonne
ments électromagnétiques.
En effet, outre la
lumière visible, le spectre électromagnétique
comporte également les rayons gamma, les
rayons X, les ultraviolets, les infrarouges (cha
leur) et les ondes radio ou hertziennes.
Ces divers rayonnements peuvent être considé
rés comme des ondes de vibrations électriques et
magnétiques se déplaçant à la vitesse de la
lumière (à près de 300 000 km/s).
C'est essentiel
lement leur longueur qui les différencie.
La lon
gueur d'onde est déterminée par la fréquence,
c'est-à-dire par le rythme d'oscillation des ondes
électromagnétiques.
Plus la fréquence est élevée,
plus les ondes sont resserrées et plus la longueur
d'onde est courte.
Sur le spectre électromagnétique, la lumière
visible se situe entre les rayonnements infra
rouges et les ultraviolets.
Lentilles et objectifs
Pour former les images, les objectifs d'appareils
photo exploitent le principe de déviation des
rayons lumineux.
Si vous regardez à travers une
lunette astronomique pour enfants, vous remar
querez que les images produites sont floues, pré
sentant sur leurs contours des franges colorées.
Cela vient du fait qu'une lentille simple en verre
ou en plastique dévie la lumière de la même
façon qu'un prisme.
Avec un matériel de bien
meilleure qualité, on peut éliminer ce défaut
surface Irrégulière
! Lorsqu'un
rayon lumineux frappe
a une
surface lisse, la lumière est réfléchie
dans une seule direction et une image en miroir
se fonne.
Une surface Irrégulière disperse
la lumière et produit un reflet flolf.
2 angle d'Incidence --:
/
/
! La
lumière qui traverse une plaque de verre
a ayant des surfaces parallèles subit
la même déviation à l'entrée et à la sortie.
LE
SPECTRE
ÉLECTRO MAGNÉTIQUE
rayons X ultraviolets
Infrarouges
- lumière visiblE
Il mlciCHll1
des ...,...
Le soleil émet
un large spectre
de rayonnements
électromagnétiques.
L'échelle en bas indique
la longueur d'onde,
du nanomètre
(un milliardième de
mètre) au kilomètre.
onde radio
0,01 nm 0,1 nm
10 nm 100 nm
0,01 mm 0,1 nm
1cm 10cm
10m 100m 10 km 100 k1
0,001 nm 1nm
1000 nm
grâce à la superposition de deux lentilles: la pre
mière décompose la lumière en rayons colorés et
la deuxième recompose ces rayons, éliminant
ainsi les franges indésirables.
Les couleurs primaires
Comme l'a montré Newton, on peut produire de
la lumière blanche en recomposant les rayons
des sept couleurs de l'arc-en-ciel.
Il existe une
3
rouge bleu
! Un
rayon de lumière traversant un prisme a triangulaire est réfracté à l'entrée et à la
sortie du matériau.
Un faisceau de lumière
blanche est décomposé en ses diffé rentes
composantes pour fonner un spectre.
! Les
faces d'une lentille convexe,
a partiellement
Illustrée Ici,
se courbent vers l'extérieur.
Chaque partie
de la lentille fait office de prisme et
dévie la lumière qui/a traverse.
Les rayons
d'une couleur donnée, provenant d'une même
source, convergent au point focal, ou foyer.
lumière
blanche
foyer 1mm
1m 1km
méthode bien plus simple : il suffit de mélanger
trois faisceaux de couleur (rouge, vert et bleu).
Ces faisceaux, qui en étant superposés produi
sent une lumière blanche, définissent les trois
couleurs primaires additives.
Différentes combi
naisons de ces trois couleurs primaires produi
sent d'autres couleurs.
Ainsi, en croisant un fais
ceau rouge et un faisceau vert, on obtient une
lumière jaune.
Le fait que la lumière blanche soit
un mélange de couleurs permet d'expliquer ! Les rayons parallèles traversant une lentille
a convexe se focalisent en un point.
Les diffé rentes composantes colorées de
la lumière blanche sont focalisées en des points
différents, ce qui produit des images floues,
bordées de franges de couleur.
7
crown
! Pour
éliminer les franges, on utilise
a un
ob}ectff composé de deux types
de lentilles.
La première, appelée crown,
dévie Inégalement les rayons de différentes
couleurs ; la seconde, le flint,
les recombine et élimine ainsi l'effet
de dispersion, ou aberration chromatique.
10
0.
»
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