La lumière : vitesse et couleurs
Quatrième · Physique-Chimie · Des signaux pour observer et communiquer
Des signaux pour observer et communiquer
La vitesse de la lumière
Quand tu allumes une lampe, la pièce s'éclaire « instantanément ». En réalité, la lumière met un certain temps à se propager : elle est simplement extrêmement rapide. À l'échelle d'une salle de classe, ce temps est invisible ; à l'échelle de l'Univers, il devient énorme et change complètement notre façon d'observer le ciel.
L'année-lumière
Conséquence essentielle : observer loin, c'est observer dans le passé. L'étoile Proxima du Centaure est à 4,2 années-lumière : sa lumière a mis 4,2 ans à nous parvenir, donc nous la voyons telle qu'elle était il y a 4,2 ans. Certaines galaxies observées par les télescopes sont à des milliards d'années-lumière : nous voyons leur passé très lointain.
| Trajet | Distance | Durée du parcours de la lumière |
|---|---|---|
| Terre – Lune | 384 000 km | 1,28 s |
| Terre – Soleil | 150 000 000 km | 500 s, soit 8 min 20 s |
| Terre – Proxima du Centaure | 4,2 années-lumière | 4,2 ans |
| Un tour de la Terre | environ 40 000 km | environ 0,13 s |
Des signaux pour observer et communiquer
Lumières colorées et couleur des objets
La lumière du Soleil ou d'une lampe nous paraît blanche. Pourtant, en la faisant traverser un prisme ou une goutte d'eau, elle se sépare en une bande de couleurs : c'est la dispersion, le phénomène qui produit les arcs-en-ciel.
La synthèse additive des couleurs.
Quand on superpose des lumières colorées, on obtient de nouvelles couleurs : c'est la synthèse additive. Les trois couleurs primaires sont le rouge, le vert et le bleu : avec elles, on peut reconstituer toutes les autres.
| Lumières superposées | Couleur obtenue |
|---|---|
| Rouge + Vert | Jaune |
| Rouge + Bleu | Magenta |
| Vert + Bleu | Cyan |
| Rouge + Vert + Bleu | Blanc |
| Aucune lumière | Noir |
C'est exactement le principe des écrans : un écran de téléphone ou de télévision est fait de minuscules groupes de trois sous-pixels rouge, vert et bleu. En réglant l'éclat de chacun, il fabrique toutes les couleurs de l'image. Regarde un écran allumé à la loupe, tu les verras !
Exercices corrigés
Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ?
- A.340 km/s
- B.300 000 km/sBonne réponse
- C.300 000 km/h
- D.3 000 km/s
Réponse : B — 300 000 km/s
La lumière se propage à 300 000 km/s dans le vide, soit 300 000 000 m/s. Attention au piège de l'unité : c'est bien par SECONDE, pas par heure. La valeur 340 est celle de la vitesse du son dans l'air, mais en mètres par seconde : ne mélange pas les deux, elles diffèrent d'un facteur d'environ un million.
Quelles sont les trois couleurs primaires de la synthèse additive des lumières ?
- A.Jaune, cyan et magenta
- B.Rouge, jaune et bleu
- C.Blanc, noir et gris
- D.Rouge, vert et bleuBonne réponse
Réponse : D — Rouge, vert et bleu
Les trois primaires de la synthèse additive sont le rouge, le vert et le bleu : c'est le fameux trio RVB (RGB en anglais) utilisé par tous les écrans. Le jaune, le cyan et le magenta sont les couleurs SECONDAIRES, obtenues en superposant deux primaires. Le trio rouge-jaune-bleu appartient au monde de la peinture, pas à celui des lumières.
Pourquoi un objet nous paraît-il rouge lorsqu'il est éclairé en lumière blanche ?
- A.Parce qu'il absorbe le rouge et diffuse toutes les autres radiations
- B.Parce qu'il fabrique lui-même de la lumière rouge
- C.Parce qu'il diffuse le rouge et absorbe les autres radiationsBonne réponse
- D.Parce qu'il laisse passer le rouge à travers lui
Réponse : C — Parce qu'il diffuse le rouge et absorbe les autres radiations
La couleur d'un objet est celle des radiations qu'il DIFFUSE, c'est-à-dire qu'il renvoie vers nos yeux. Un objet rouge éclairé en lumière blanche absorbe le vert, le bleu et les autres radiations, et diffuse le rouge. Il ne produit pas de lumière lui-même : sans éclairage, on ne le voit pas du tout. Et laisser passer la lumière, c'est le rôle d'un filtre, pas d'un objet opaque.
Que désigne exactement une année-lumière ?
- A.La durée d'une année sur une autre planète
- B.La distance parcourue par la lumière en un anBonne réponse
- C.Le temps que met la lumière du Soleil pour atteindre la Terre
- D.L'âge de la lumière que l'on reçoit d'une étoile
Réponse : B — La distance parcourue par la lumière en un an
Malgré son nom trompeur, l'année-lumière est une unité de DISTANCE : celle que la lumière parcourt en un an, soit environ 9 500 milliards de kilomètres. Elle sert à mesurer les distances astronomiques, où le kilomètre serait ridiculement petit. La durée du trajet Terre-Soleil, elle, vaut 8 min 20 s, et se mesure en secondes.
La Lune est à environ 384 000 km de la Terre. Combien de temps la lumière met-elle pour faire ce trajet ?
- A.1,28 min
- B.0,78 s
- C.1,28 sBonne réponse
- D.128 s
Réponse : C — 1,28 s
On calcule t = d/c = 384 000 / 300 000 = 1,28 s. Le résultat est en secondes puisque la distance est en km et la vitesse en km/s : les unités sont cohérentes. Répondre 0,78 s reviendrait à diviser dans l'autre sens (300 000/384 000), et 1,28 min à confondre secondes et minutes.
Quelle couleur obtient-on en superposant une lumière verte et une lumière bleue ?
- A.Du blanc
- B.Du magenta
- C.Du jaune
- D.Du cyanBonne réponse
Réponse : D — Du cyan
Vert + bleu donne du cyan, une couleur secondaire proche du turquoise. Retiens les trois combinaisons : rouge + vert = jaune, rouge + bleu = magenta, vert + bleu = cyan. Le blanc, lui, nécessite les TROIS primaires ensemble : ici il manque le rouge.
De quelle couleur paraît une feuille de papier blanche éclairée par une lumière verte, dans une pièce sombre ?
- A.VerteBonne réponse
- B.Blanche
- C.Noire
- D.Jaune
Réponse : A — Verte
Un objet blanc a la particularité de diffuser toutes les radiations qu'il reçoit. Comme il ne reçoit ici que du vert, il diffuse du vert et paraît vert. Il ne peut pas paraître blanc : pour cela, il faudrait qu'il reçoive toutes les radiations. Et il ne paraît pas noir non plus, puisqu'il diffuse bien quelque chose.
L'étoile Proxima du Centaure est située à 4,2 années-lumière de la Terre. Que voit-on en l'observant ce soir au télescope ?
- A.L'étoile telle qu'elle est exactement en ce moment
- B.L'étoile telle qu'elle était il y a 4,2 ansBonne réponse
- C.L'étoile telle qu'elle était il y a 4,2 secondes
- D.L'étoile telle qu'elle sera dans 4,2 ans
Réponse : B — L'étoile telle qu'elle était il y a 4,2 ans
La lumière qui arrive ce soir dans le télescope a quitté l'étoile il y a 4,2 ans, puisqu'il lui a fallu tout ce temps pour parcourir 4,2 années-lumière. On observe donc son passé. Cette idée est fondamentale en astronomie : plus un astre est lointain, plus on le voit à une époque ancienne. Aucune information ne peut voyager plus vite que la lumière, donc voir le présent d'une étoile lointaine est impossible.
Quelle distance la lumière parcourt-elle dans le vide en 2 secondes ?
- A.150 000 km
- B.300 000 km
- C.600 000 kmBonne réponse
- D.2 années-lumière
Réponse : C — 600 000 km
On applique d = c × t = 300 000 × 2 = 600 000 km. Répondre 150 000 km revient à diviser par 2 au lieu de multiplier. Et 2 années-lumière est totalement hors d'échelle : cette distance correspondrait à 2 ANS de trajet, pas à 2 secondes. Vérifie toujours l'ordre de grandeur avant de valider.
Exprimée en mètres par seconde, quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ?
- A.300 000 000 m/sBonne réponse
- B.300 000 m/s
- C.3 000 000 m/s
- D.30 000 000 m/s
Réponse : A — 300 000 000 m/s
Pour convertir des km/s en m/s, on multiplie par 1000 puisque 1 km = 1000 m : 300 000 × 1000 = 300 000 000 m/s, soit 3 × 10 puissance 8 m/s. Compte bien les zéros : trois zéros s'ajoutent aux cinq déjà présents. Répondre 300 000 m/s, c'est oublier complètement la conversion.
Un objet jaune est éclairé uniquement par une lumière rouge. De quelle couleur paraît-il ?
- A.Jaune
- B.RougeBonne réponse
- C.Vert
- D.Noir
Réponse : B — Rouge
Le jaune s'obtient par superposition du rouge et du vert : un objet jaune est donc capable de diffuser ces deux radiations. Ici, il ne reçoit que du rouge : il le diffuse et paraît rouge. Il ne peut pas paraître jaune, faute de vert dans l'éclairage, ni noir, puisqu'il diffuse bien quelque chose. C'est un excellent test de la méthode : croise ce que l'objet reçoit avec ce qu'il sait diffuser.
Des astronomes envoient un faisceau laser vers un réflecteur posé sur la Lune, à 384 000 km, et attendent son retour. Au bout de combien de temps le signal revient-il sur Terre ?
- A.1,28 s
- B.0,64 s
- C.2,56 sBonne réponse
- D.2,56 min
Réponse : C — 2,56 s
Attention, le signal fait un aller-retour : il parcourt donc 2 × 384 000 = 768 000 km. La durée vaut t = 768 000 / 300 000 = 2,56 s. Autre façon de le voir : l'aller dure 384 000/300 000 = 1,28 s, et le retour autant, soit 1,28 × 2 = 2,56 s. Répondre 1,28 s, c'est ne compter que l'aller : c'est l'erreur numéro un sur ce type d'exercice, qu'on retrouve aussi avec les échos sonores et les sonars.
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