Les distances qui nous séparent des étoiles sont astronomiques. On ne parle plus de kilomètres. Quelle unité de mesure utilise-t-on alors ?
Réponse : pour définir les distances, en astronomie, on utilise l’année-lumière. Mais que représente une année-lumière ?
Les distances qui nous séparent des étoiles sont astronomiques. On ne parle plus de kilomètres. Quelle unité de mesure utilise-t-on alors ?Réponse : pour définir les distances, en astronomie, on utilise l’année-lumière. Mais que représente une année-lumière ?
I. Les milieux et la vitesse de propagation de la lumière
• La lumière peut se propager dans le vide. Ainsi, la lumière du Soleil nous parvient sur la Terre après avoir traversé le vide cosmique. Elle se propage également dans certains matériaux (l’air, le verre, l’eau, quelques plastiques et les pierres précieuses). Un milieu dans lequel se propage la lumière est appelé milieu transparent.
• La lumière se propage dans le vide et dans l’air à la vitesse de 299 792 458 m/s, soit environ 300 000 km/s. Pour parcourir les quelque 150 millions de kilomètres qui nous séparent du Soleil, la lumière met environ 8 minutes et 20 secondes. Elle met 1,3 s pour aller de la Terre à la Lune.
II. Le rayon lumineux
• Un rayon lumineux matérialise le trajet suivi par la lumière pour aller d’un point à un autre. On le représente par un segment de droite, avec une flèche qui indique le sens de propagation.
• Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux provenant d’une même source. Un exemple est donné ci-dessous.
III. La propagation rectiligne de la lumière
• Dans un milieu homogène et transparent (comme le vide), la lumière se propage en ligne droite. On dit qu’un milieu est homogène s’il possède la même composition et les mêmes propriétés en tout point. Le vide, le verre et l’air sont en général des milieux homogènes.
Un milieu est transparent, si la lumière peut s’y propager sans être absorbée.
IV. L’année-lumière
• Une année-lumière est la distance que parcourt la lumière en un an. Elle vaut 9,461 × 1015 m, soit près de 9 500 milliards de kilomètres !
• L’année-lumière est utilisée pour exprimer les distances interstellaires. Par exemple, l’étoile la plus proche du système solaire, Proxima du Centaure, se trouve à 4,22 années-lumière, ce qui signifie que la lumière met plus de 4 années pour parcourir la distance qui nous sépare de cette étoile. Notre galaxie, la Voie lactée, a un diamètre d’environ 100 000 années-lumière et notre système solaire d’environ 1,5 années-lumière.
Comment se propage la lumière – Cours – 5ème – Physique – Chimie – Collège
- Lorsque le temps est clair, nos yeux ne voient pas le trajet suivi par la lumière du Soleil, mais seulement de l’ombre derrière les objets éclairés. Si un peu de brouillard ou quelques nuages apparaissent, on observe alors des traits de lumière.
- Quel est le trajet suivi par la lumière et comment se forment les ombres ?
- I.
Propagation de la lumière
I.1. Qu’est-ce que la propagation de la lumière ?
Puisque la lumière n’est pas un objet matériel (on ne peut la toucher !) au lieu de dire qu’elle se déplace on utilise le terme se ” propager “.
On parle également de propagation pour un son ou une vague puisque dans ces cas il n’y a pas de déplacement de matière.
I.2. Quelle est la trajectoire de la lumière ?
Une première condition pour que la lumière puisse se propager est d’avoir un milieu transparent (comme l’air, le vide ou le verre).
Dans un milieu transparent comme l’air la lumière se propage alors en ligne droite.
Pour exprimer que la trajectoire de la lumière est une ligne droite on dit que sa propagation est rectiligne.
Une expérience simple qui permet de le montrer est d’essayer d’observer une source de lumière à travers plusieurs cartons percés. Pour observer cette source et donc pour recevoir la lumière qu’elle émet on doit aligner les trous des différents cartons: l’alignement des différents trous montre bien que la lumière se propage en ligne droite.
Remarque: pour que la propagation de la lumière soit rectiligne le milieu de propagation doit également être homogène. Cela signifie que le milieu doit avoir la même composition en tous points ainsi que les mêmes caractéristiques (température notamment).
En été, par exemple, l’air est plus chaud au niveau du sol ce qui courbe le trajet de la lumière et donne l’impression donne l’impression d’une surface trouble voire recouverte d’eau. Ce phénomène est également à l’origine de la formation des mirages.
Conclusion : La lumière se propage en ligne droite, de la source vers l’objet éclairé, dans un milieu homogène et transparent. La ligne droite représente un rayon de lumière.
- II.
Faisceau de lumière, rayon de lumière
J’observe et j’interprète
- · En présence de fumée, on observe une zone lumineuse à l’intérieur du vase lorsque des particules de fumée diffusent la lumière. Les bords de cette zone sont rectilignes et délimitent un faisceau de lumière.
- · Un faisceau de lumière est constitué de l’ensemble des rayons de lumière émis par la source.
- · Un pinceau de lumière est un faisceau de lumière très étroit
Pour représenter un rayon de lumière, on trace une ligne droite munie d’une flèche qui indique le sens de propagation de la lumière, de la source ponctuelle S vers l’objet éclairé O. On représente un faisceau de lumière, en traçant les deux rayons limites qui bordent le faisceau.
Conclusion : Un faisceau de lumière est un ensemble de rayons de lumière émis par une source. Un rayon de lumière est représenté par une droite munie d’une flèche qui indique le sens de propagation.
- III.
Les ombres
III.1. Qu’est-ce que l’ombre d’un objet ?
Lorsqu’un objet opaque est éclairé par une source de lumière, certaines zones, situées derrière l’objet, ne reçoivent pas de lumière et constituent l’ombre de l’objet.
III.1.2 Ombre propre et ombre portée
Lorsqu’un objet opaque est éclairé on distingue deux zones d’ombre:
– L’ombre propre est la zone de l’objet qui ne reçoit pas de lumière. Il s’agit de la partie de l’objet située à l’opposé de la source de lumière.
– L’ombre portée se situe sur une surface située derrière l’objet (écran, mur, sol etc) et qui ne reçoit pas de lumière. Cette ombre possède une forme qui reproduit les contours de l’objet éclairé.
Remarque: on parle aussi de cône d’ombre pour l’espace situé derrière l’objet et ne recevant pas de lumière.
Conclusion : La partie non éclairée d’un objet opaque éclairé est son ombre propre. Sur un écran, l’ombre d’un objet éclairé par une source ponctuelle est l’ombre portée. Le cône d’ombre est la zone située entre l’ombre propre et l’ombre portée. Depuis le cône d’ombre, un observateur ne voit pas la source de lumière(N) par contre un observateur situé dans la zone éclairée (M) voit la source de la lumière.
Conclusion : Dans un circuit en série, lorsqu’on modifie l’ordre de branchement des dipôles on ne modifie pas le fonctionnement de ces derniers, donc l’ordre des dipôles est sans importance.
Dans le schéma électrique d’un circuit en série, l’ordre des symboles normalisés est sans importance.
- IV.
Position, forme et couleur des ombres
Je réponds aux questions
1. Comment sont positionnés la source de lumière, l’objet et son ombre portée (A) ?
2. Comment la position de l’ombre portée est-elle modifiée (B) ?
3. Comment est modifiée la taille de l’ombre sur la photographie B ?
4. Quelle est la forme de l’ombre portée (A et B) ? Pourquoi ?
5. De quelle couleur est la zone éclairée sur la balle (C) ?
6. De quelle couleur sont l’ombre propre et l’ombre portée (C) ? Pourquoi ?
Réponses et interprétations
1. La source de lumière à droite, l’objet au milieu et l’ombre à gauche.
2. L’ombre portée est passée de la gauche vers la droite.
3. La taille de l’ombre a augmenté.
4. La forme de l’éolienne, dépend de la forme de l’objet éclairé et de la position de la source de lumière.
5. La couleur de la zone éclairée sur la balle est rouge.
6. La couleur de l’ombre propre et l’ombre portée est noire, car la zone d’ombre ne diffuse pas de lumière.
Conclusion : La position et les dimensions d’une ombre portée dépendent des positions relatives de la source de lumière, de l’objet éclairé et de l’écran. La forme d’une ombre dépend de la forme de l’objet éclairé et de la position de la source de lumière. La couleur d’une ombre est noire quelle que soit la couleur de la source de lumière car la zone d’ombre ne diffuse pas de lumière.
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Qu’est-ce que la lumière ?
La lumière est une onde, ce sont les expériences de diffraction et d’interférences qui ont permis aux physiciens d’affirmer que la lumière avait un caractère ondulatoire.
Expérience de diffraction : quand on éclaire une fente verticale (d’ouverture variable) avec un faisceau de lumière parallèle et monochromatique. La fente laisse passer le faisceau de lumière qui se dirige vers un écran. Quand la fente a une largeur d’ouverture très grande, on observe un tache lumineuse avec les dimensions de la fente. On dit que la fente à diaphragmé la lumière. Si on choisit ensuite une largeur de fente plus petite, on peut voir une tache plus large que la fente et bordée d’une alternance de zones sombres et lumineuses : la lumière a divergé lors de son passage à travers la fente. C’est le phénomène de diffraction :
« si l’ouverture est nettement supérieur à la longueur d’onde lumineuse, alors l’onde est diaphragmée, au contraire si l’ouverture est nettement inférieure ou est du même ordre de la longueur d’onde, alors on dit que la lumière est diffractée. «
Note : la diffraction est un phénomène propre à toutes les ondes et montre que la lumière a bien un caractère ondulatoire. 
La lumière possède plusieurs caractéristiques :
- La lumière se propage d’une source vers un récepteur. Les sources de lumière sont des corps qui produisent et émettent de la lumière. On trouve des sources naturelles de lumière comme par exemple le Soleil, les étoiles et des sources artificielles de lumière comme par exemple les lasers, les lampes à incandescence ou encore les tubes en néon. Les récepteurs à cette lumière peuvent être des récepteurs naturels comme l’œil ou la peau ou peuvent être des récepteurs artificiels comme le capteur solaire ou les cellules photovoltaïques.
-
La lumière est une onde électromagnétique caractérisée par une fréquence comprise entre 3,5 x 1014 Hz et 7,5 x 1014 Hz. Elle correspond donc à la propagation de champs électriques et magnétiques dans le vide et certains milieux matériels.
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La lumière est une énergie rayonnante : elle transporte de l’énergie (sans transport de matière). En effet, on peut souligner que la lumière est à la base de phénomènes biologiques vitaux comme la photosynthèse mais aussi l’évaporation des eaux ou encore l’échauffement de la Terre. Cette énergie solaire est d’ailleurs captée par des panneaux photo-voltaïques pour produire de l’électricité. Plus douloureux, l’énergie de la lumière est responsable des coups de soleil sur la peau !
-
La lumière est capable de diffusion : les objets qui nous entourent renvoient la lumière lorsqu’ils sont éclairés : on dit qu’ils diffusent la lumière. Les objets diffusent plus ou moins la lumière : les objets noirs absorbent toute la lumière reçue, les blancs diffusent pratiquement toute la lumière. Une expérience simple permet d’illustrer la diffusion : quand on utilise un laser dans une pièce noire il émet une lumière rouge que l’on ne peut discerner. Cependant, si on utilise de la fumée dans la pièce comme par exemple celle utilisée dans les boites de nuit, on peut distinguer les radiations rouges du laser car la fumée à diffusé la lumière vers les yeux de l’observateur.
Le saviez vous ? La lune n’est pas une source de lumière, elle diffuse la lumière solaire qui arrive à sa surface. C’est aussi le cas des planètes dans l’univers.
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La trajectoire de la lumière
Dans le vide la lumière se propage toujours de manière rectiligne (en suivant une droite) c’est pourquoi on représente son trajet par un rayon lumineux (une droite comportant une flèche). On peut également représenter la lumière sous forme d’un faisceau lumineux qui constituent l’ensemble des rayons. Dans un milieu matériel seuls certains matériaux qualifiés de transparents laissent la lumière se propager.
Dans un milieu transparent et homogène la propagation de la lumière n’est alors rectiligne que si ce dernier est homogène.
Définition : un milieu est homogène s’il possède les mêmes caractéristiques en chacun de ses points (même composition chimique, même température et même pression).
La vitesse de la lumière dans le vide
La lumière n’a pas besoin de milieu pour se propager. La propagation de la lumière correspond aux caractéristiques d’une double propagation :
- la propagation d’un champ électrique
- et la propagation d’un champ magnétique.
Ainsi la lumière, qui est une onde électromagnétique n’a pas besoin de support matériel pour se propager. Dans le vide, la lumière se propage à une vitesse constante de 300 000 km/s. Cette vitesse, aussi appelée célérité, se note c et correspond aussi à la vitesse de propagation de toutes les autres ondes électromagnétiques (ondes radios, micro ondes, infrarouge, etc…).
Un peu d’histoire…
C’est Alhazen (965-1039) puis Galilée (1564-1642) qui le premier pensa que la lumière ne se propageait pas instantanément. 
Il essaya de calculer la vitesse de propagation de la lumière par différentes expériences, mais qui se soldèrent toutes par un échec. Ce n’est qu’à la fin du XVII ème siècle que Ole Christensen Römer (1644-1710), qui travaillait alors à l’observatoire de Paris, put donner une bonne évaluation de la célérité de la lumière. On a donc toujours ;
c = 300 000 km/s
Cette mesure est une grandeur fixe et une constante fondamentale. Le saviez-vous ? La valeur actuellement admise pour la vitesse de la lumière a été fixée en 1983 par la conférence des poids et mesures. Celle-ci avait été obtenue une dizaine d’année avant indirectement par des mesures précises faisant appel à la fréquence du laser hélium-néon. On admet que cette vitesse est, plus précisément, de 299 792 458 m/s.
Le rêve de dépasser la vitesse de la lumière
En 2011 les physiciens du CERN (Organisation Européenne pour la recherche nucléaire appelé aussi laboratoire européen pour la physique des particules) et du CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) pensaient avoir fait une découverte extraordinaire : les chercheurs avaient alors pu observer des particules voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Cette découverte bouleversait toutes les théories actuelles dont celle célèbre de la relativité d’Albert Einstein. Jusqu’à présent la vitesse de la lumière dans le vide était considérée comme une grandeur infranchissable. Les particules en jeu ? Les neutrinos, des particules élémentaires de masse quasiment nulle et engendrées par des réactions nucléaires. Plusieurs expériences avaient alors confirmées le fait que ces neutrinos allaient à une vitesse supraluminique. Malheureusement la revue Science mis fin au rêve en expliquant que les résultats de ces expériences étaient biaisés par une erreur de GPS. 
La vitesse de la lumière dans un milieu matériel transparent
Dans un milieu transparent la lumière peut se propager moins vite que dans le vide. C’est Pierre de Fermat, un mathématicien français, qui exprima l’idée que la célérité de la lumière soit moins importante dans des milieux transparents que dans le vide. Ainsi, la lumière peut se propager dans de nombreux milieux comme l’air, l’eau ou le verre. Si le milieu est opaque, la lumière ne peut pas se propager. C’est le cas par exemple, dans les grands fonds marins. Quand la lumière se propage dans un milieu transparent, elle va moins vite que dans le vide car il existe des interactions entre le rayonnement et la matière. La vitesse dépend alors du milieu.
Note : la célérité de la lumière dans l’air est quasiment identique à la célérité dans le vide.
Indice de réfraction
La vitesse de propagation s’exprime alors à l’aide de la relation suivante : 
- Où « v » est la vitesse de la lumière dans le milieu transparent (en mètre par seconde)
- « c » est la célérité de la lumière dans le vide (c= 300 000 000 m/s)
- et n est l’indice de réfraction (sans unité)
L’indice de réfraction est aussi appelé constante d’optique d’un matériau. L’indice de réfraction est caractéristique de chaque type de milieu transparent. n est toujours supérieur ou égale à 1. Dans l’air n=1 ce qui signifie que la vitesse de propagation est la même que dans le vide. Par contre, dans l’eau n=1,33 et dans le verre n=1,5 la vitesse de propagation n’est pas la même donc dans ces milieux la lumière se propage moins vite que dans le vide.
Air 300 000 000 m/s Eau 230 000 000 m/s Alcool220 000 000 m/s Verre200 000 000 m/s Benzène200 000 000 m/s Vitesse de la lumière et effet Cherenkov L’effet Cherenkov, du nom du physicien russe nobélisé Pavel Cherenkov, désigne l’effet que produit une particule qui se déplace plus vite que la lumière dans son milieu. Attention cela ne signifie pas que cette particule a une vitesse supérieure à 300 000 km/s ! Prenons l’exemple de l’eau, dans laquelle la célérité de la lumière est de 226 000 km/s, si la particule possède une vitesse de 270 000km/s alors cette particule a une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau : il se produit un phénomène lumineux bleuté.
L’effet Cherenkov, du nom du physicien russe nobélisé Pavel Cherenkov, désigne l’effet que produit une particule qui se déplace plus vite que la lumière dans son milieu. Attention cela ne signifie pas que cette particule a une vitesse supérieure à 300 000 km/s ! Prenons l’exemple de l’eau, dans laquelle la célérité de la lumière est de 226 000 km/s, si la particule possède une vitesse de 270 000km/s alors cette particule a une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau : il se produit un phénomène lumineux bleuté.
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