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Propagation de la lumière

Thème 4 - Chapitre 1

Dans ce chapitre il est question des conditions de visibilité d'un objet, de la façon dont se propage la lumière dans le vide, ainsi que la vitesse de la lumière.

Compétences et attendus   prof

Attendus

  • Distinguer une source primaire (objet lumineux) d’un objet diffusant.
  • Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux.
  • Utiliser l’unité « année lumière » comme unité de distance.
  • » Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation, année lumière.
  • » Modèle du rayon lumineux.

Compétences

  • Compétence travaillé

Source primaire et objet diffusant

Conceptions en optique   pres

  1. On peut voir la lumière
    1. Vrai
    2. Faux
  2. La couleur d'un objet dépend de la lumière
    1. Vrai
    2. Faux
  3. Dans l'oeil, l'image d'un objet est inversé par rapport à son sens réel
    1. Vrai
    2. Faux
  4. La lumière va de l'oeil vers l'objet observé
    1. Vrai
    2. Faux

Tous les objets produisent-ils leur lumière ?

  • Un objet produisant sa propre lumière est appelé .
  • Un objet réfléchissant de la lumière est appelé

Selon la théorie de l'intromission, la vision est due à l'entrée de quelque chose dans l'oeil. La théorie de l'émission affirme elle que l'œil émet des rayons visuels, puisque les yeux des chats brillent la nuit. La théorie de l'intromission sera validée au XVIIe, grâce à l'observation d'une image se formant sur la rétine d'un œil de boeuf.

En observant le ciel de nuit, on peut observer les étoiles, quelques planètes ainsi que la Lune.

Les étoiles produisent de la lumière à partir de réactions nucléaires qui se produisent dans leur centre. La lumière est émise dans toutes les directions, jusqu'à rencontrer un obstacle et être éventuellement réfléchi.

Les planètes et la lune ne produisent pas leur propre lumière, mais réfléchissent la lumière du Soleil (étoile du système solaire).

propagation.png
    1. Indique comment est qualifiée une source de lumière telle que le Soleil.
    2. Indique comment est qualifiée une source de lumière telle que la Lune.
    3. Indique si l'oeil de chat est une source primaire ou un objet diffusant.
  2. À partir du schéma suivant, indique quel observateur est éclairé par une source primaire.
  3. Sur le schéma, trace par une ligne droite orientée le trajet que fait la lumière pour atteindre l'observateur A. Même question pour l'observateur B.
  4. La planète Vénus, est aussi appelée étoile du Berger, est le troisième astre le plus brillant dans le ciel. Est-ce une source primaire ou un objet diffusant ?
  5. Tous les objets produisent-ils leur propre lumière ?
observateurs.png
Figure 2 : Deux observateurs situés sur Terre. Un éclairé par une source primaire, l'autre par un objet diffusant
  • Une source primaire de lumière produit la lumière qu'elle émet
  • Un objet diffusant renvoie une partie de la lumière reçu dans toutes les directions
  • On ne peut voir que les objets produisant de la lumière ou ceux qui la diffusent. Si un objet diffusant n'est pas éclairé par une source primaire, il n'est pas visible

Exercices complémentaires   exercice

Superhéros

Dans les comics, certains superhéros possèdent le pouvoir de lancer des rayons laser avec les yeux.

  1. Quel principe de la vision est véhiculé dans ce cas ?
  2. Explique en quoi ce principe est faux.

Camera oscura (chambre noire)   expérience

Dans une boite rectangulaire vide (exemple boite à thé ou à chaussure), faire un trou avec une aiguille à tricoter au milieu de la face du bas. recouvrir de papier calque l'ouverture. Observer par la fenêtre au travers de ce dispositif.

Que peux-tu remarquer ?

Vitesse de propagation de la lumière

Le problème de Cassini

Entre 1664 et 1668, Jean-Dominique Cassini étudie les éclipses des satellites naturels de Jupiter. Le calendrier prévisionnel publié à la fin de cette étude montre quelques irrégularités, pouvant présenter un écart de plusieurs minutes.

T4C01-cassini-romer.png
Figure 3 : Représentation de la situation, observation de Io (en gris) depuis la Terre (en bleu) lorsqu'elle sort de l'ombre de Jupiter, à deux intervalles
  1. Io est-elle source primaire ou un objet diffusant ?
  2. Explique ce que représente le schéma.
  3. Compare la distance parcourue par la lumière entre Io et la Terre sur le trajet AC et sur le trajet BD.
  4. Pour pouvoir expliquer ces irrégularités, Olaüs Römer avance la théorie (controversée à l'époque), que la lumière a une vitesse finie. En quoi cette hypothèse permettrait d'expliquer les irrégularité observée ?
  5. À l'époque, Römer montre que la lumière met 16 minutes pour parcourir 211 million de kilomètres. Détermine la vitesse de la lumière selon les mesures de Römer.
  6. Aujourd'hui, il est admis que la lumière se déplace à près de 300 000 km/s. Quel est le pourcentage d'erreur de Römer ?

La lumière se propage dans le vide a une vitesse proche de 300 000 km/s.

Ce qui signifie que :

  • chaque seconde la lumière parcours presque 300 000 km
  • chaque heure plus de 1 milliard de kilomètres
  • chaque année près de 9 500 milliard de kilomètre.

La distance parcourue par la lumière en un an est appelée .

Exercices   pres

  1. La lumière se propage en environ :
    1. 340 m/s
    2. 300 000 m/s
    3. 340 km/s
    4. 300 000 km/s

  2. En 1849, Hippolyte Fizeau, montre que la lumière parcours deux fois 8633 m en 0,05 ms. Calcule la vitesse de la lumière mesurée.

    La relation entre vitesse (v), distance (d) et durée (t) est : \[v = \dfrac{d}{t}\], soit \[ v = \dfrac{2 \times 8633 \mathrm{m}}{0,05 \div 1000 \mathrm{s}}\]

  3. L'étoile la plus proche de notre système solaire est Proxima du Centaure, elle est située à 4,2 al (années lumière).

    1. Sachant que 1 al = 9 500 milliard km, à combien de milliard de kilomètres se situe Proxima du Centaure du système solaire ?

      Pour déterminer la distance en milliard de kilomètres, on multiplie par 4,2 la valeur de 1 al, soit

      4,2 al = 4,2 × 9 500 milliard km = 39 900 milliard km

      soit 39 900 000 000 000 km.

  1. Si une fusée part de la Terre et voyage à 0,1% de la vitesse de la lumière, en combien de temps atteindrait-elle Proxima du Centaure ?

    Si une fusée voyage à 0,1% de la vitesse de la lumière, elle va 1000 fois moins vite, donc elle va mettre 1000 fois plus de temps, soit

    Δt = 4,2 × 1000 = 4 200 ans

    Pour une fusée allant 300 km/s, il faudrait 4 200 ans pour atteindre Proxima du Centaure.

    (L'actuel record de vitesse pour une sonde spatiale est de 163 km/s).

Ombre portée

Hypothèse

  1. Pour voir un objet il faut qu'il émette ou diffuse de la lumière
    1. Vrai
    2. Faux
  2. Une source primaire de lumière n'émet de la lumière que dans une seule direction
    1. Vrai
    2. Faux
  3. Plus un objet s'approche de la source de lumière, plus son ombre projetée est grande
    1. Vrai
    2. Faux

Théâtre d'ombres

  • lampe
  • divers objets
  • règle graduée

Questions préalables

  1. Comment peut-on déterminer de manière quantitative la relation entre la distance entre la source de lumière et l'objet ?

  2. Établir un protocole expérimental ou faire le schéma correspondant à l'expérience.

    aide
    1. Prendre un objet et mesurer sa taille (hauteur ou largeur)
    2. Placer l'écran et la lampe a une distance fixe. Relever cette distance
    3. Placer l'objet entre la lampe et l'écran mesurer la distance entre la source et l'objet
    4. Mesurer la taille de l'ombre (hauteur ou largeur)
    5. Recommencer les étapes 3 et 4 pour 4 longueurs différentes
  3. Quelle est la distance à ne pas modifier pendant l'expérience.

Mesures expérimentales

  1. Soit les notations suivantes :

    S
    Source primaire de lumière
    AB
    segment représentant l'objet éclairé
    CD
    segment représentant l'ombre sur l'écran
    ombre_portee.png
  2. Faire les mesures expérimentales et compléter le tableau suivant et les données suivantes :
    Taille de l'objet
    cm
    Distance source écran
    cm
    Relevés expérimentaux
    Distance source (cm)
    Taille ombre (cm)
  3. Tracer sur un graphique la relation entre la distance objet-source et la taille de l'ombre.

Modèle théorique

Propagation de la lumière, créé par E. Machefer, est sous licence CC BY-NC-SA 4.0