Sources et propagation de la lumière
Cinquième · Physique-Chimie · Des signaux pour observer et communiquer
Des signaux pour observer et communiquer
D'où vient la lumière et comment se propage-t-elle ?
Sans lumière, impossible de voir quoi que ce soit. Mais toute la lumière ne vient pas de la même façon : certains objets fabriquent leur lumière, d'autres se contentent de la renvoyer. Comprendre cette différence, puis la manière dont la lumière voyage, c'est la base de toute l'optique.
Sources primaires et objets diffusants
Milieux et propagation de la lumière
| Type de milieu | La lumière passe-t-elle ? | Voit-on à travers ? | Exemples |
|---|---|---|---|
| Transparent | Oui, entièrement | Oui, nettement | Air, verre, eau claire |
| Translucide | En partie | Non, image floue | Verre dépoli, papier calque |
| Opaque | Non, pas du tout | Non | Bois, métal, carton |
Dans un milieu transparent et homogène (le même partout, comme l'air ou l'eau claire), la lumière se propage en ligne droite : c'est le principe de propagation rectiligne de la lumière. On modélise le trajet de la lumière par un rayon lumineux : une demi-droite fléchée qui indique le sens de propagation. Un ensemble de rayons forme un faisceau lumineux.
Une vitesse énorme. La lumière se propage à une vitesse gigantesque : environ 300 000 km/s dans le vide (et quasiment autant dans l'air). À côté, le son est une vraie tortue : environ 340 m/s dans l'air. Cette différence explique pourquoi, lors d'un orage, on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre. Comme les distances entre les astres sont immenses, on utilise une unité adaptée : l'année-lumière, qui est la distance parcourue par la lumière en un an (et non une durée !).
Des signaux pour observer et communiquer
Ombres, éclipses et phases de la Lune
Puisque la lumière se propage en ligne droite et qu'un objet opaque l'arrête, il se forme des ombres. Ce simple principe permet d'expliquer des phénomènes spectaculaires : les éclipses et les phases de la Lune.
Faisceaux et types d'ombres
Selon la forme des rayons, un faisceau peut être divergent (il s'élargit, comme celui d'une lampe de poche), convergent (il se resserre vers un point) ou parallèle (les rayons restent côte à côte, comme un laser).
Quand un objet opaque est éclairé, on distingue :
l'ombre propre : la partie sombre de l'objet lui-même, du côté non éclairé ;
l'ombre portée : la zone sombre projetée sur un écran (le sol, un mur) ;
le cône d'ombre : le volume de pénombre situé entre l'objet et l'écran, où la lumière n'arrive pas.
Les éclipses
| Éclipse | Alignement (dans l'ordre) | Ce qui se passe |
|---|---|---|
| Éclipse de Soleil | Soleil – Lune – Terre | La Lune passe devant le Soleil et projette son ombre sur la Terre |
| Éclipse de Lune | Soleil – Terre – Lune | La Terre projette son ombre sur la Lune, qui s'assombrit |
Les phases de la Lune. La Lune est un objet diffusant : elle est éclairée par le Soleil, et une moitié seulement est éclairée à chaque instant. Selon sa position autour de la Terre, on ne voit pas toujours la même portion de cette moitié éclairée : c'est ce qui crée les phases (nouvelle Lune, premier quartier, pleine Lune, dernier quartier). Les phases ne sont donc pas dues à l'ombre de la Terre !
Exercices corrigés
Comment appelle-t-on un objet qui produit lui-même sa lumière ?
- A.Une source secondaire
- B.Un objet diffusant
- C.Une source primaireBonne réponse
- D.Un objet opaque
Réponse : C — Une source primaire
Un objet qui fabrique sa propre lumière est une source primaire (le Soleil, une lampe, une flamme...). Un objet diffusant (ou source secondaire) ne fait que renvoyer la lumière qu'il reçoit. « Opaque » décrit un objet qui ne laisse pas passer la lumière : c'est autre chose.
Pourquoi la Lune brille-t-elle dans le ciel la nuit ?
- A.Elle diffuse (renvoie) la lumière qu'elle reçoit du SoleilBonne réponse
- B.Elle produit sa propre lumière, comme une étoile
- C.Elle est en feu en permanence, comme un grand brasier
- D.Elle contient des étoiles à l'intérieur de son sol
Réponse : A — Elle diffuse (renvoie) la lumière qu'elle reçoit du Soleil
La Lune est un objet diffusant : elle ne fabrique aucune lumière, elle renvoie vers nous une partie de la lumière du Soleil qui l'éclaire. C'est pour cela qu'on la voit briller. Si le Soleil ne l'éclairait pas, elle serait invisible.
À quelle vitesse la lumière se propage-t-elle dans le vide ?
- A.Environ 340 m/s
- B.Environ 3 000 km/s
- C.Environ 300 000 km/sBonne réponse
- D.Environ 30 km/s
Réponse : C — Environ 300 000 km/s
La lumière file à environ 300 000 km/s dans le vide (et quasiment autant dans l'air) : c'est la vitesse la plus grande qui existe. La valeur 340 m/s est celle du son dans l'air, bien plus lente. Ne confonds pas ces deux vitesses !
Comment modélise-t-on le trajet suivi par la lumière ?
- A.Par un rayon lumineux : une demi-droite fléchée qui indique le sensBonne réponse
- B.Par un cercle, qui représenterait la zone éclairée autour de la source lumineuse
- C.Par un point unique, sans aucune indication de direction ni de sens de propagation
- D.Par une courbe ondulée, comme celle utilisée habituellement pour représenter un son
Réponse : A — Par un rayon lumineux : une demi-droite fléchée qui indique le sens
On représente le trajet de la lumière par un rayon lumineux : une demi-droite fléchée dont la flèche indique le sens de propagation. Comme la lumière va tout droit dans un milieu transparent et homogène, ce trajet est une droite, pas une courbe.
Pendant un orage, pourquoi voit-on l'éclair avant d'entendre le tonnerre ?
- A.Le tonnerre est produit après l'éclair
- B.L'œil réagit toujours plus vite que l'oreille
- C.La lumière se propage beaucoup plus vite que le sonBonne réponse
- D.L'éclair est produit plus près de nous que le tonnerre
Réponse : C — La lumière se propage beaucoup plus vite que le son
L'éclair et le tonnerre sont produits au même endroit et au même instant. Mais la lumière (300 000 km/s) va beaucoup plus vite que le son (340 m/s) : sa lueur nous parvient quasi instantanément, tandis que le bruit met plusieurs secondes à arriver. Ce n'est pas une histoire de réflexes de l'œil !
Le faisceau d'une lampe de poche s'élargit à mesure qu'il s'éloigne. Comment le qualifie-t-on ?
- A.DivergentBonne réponse
- B.Convergent
- C.Parallèle
- D.Rectiligne
Réponse : A — Divergent
Un faisceau qui s'élargit en s'éloignant de la source est divergent. Un faisceau convergent se resserre vers un point ; un faisceau parallèle garde une largeur constante (comme un laser). « Rectiligne » qualifie la propagation de chaque rayon, pas la forme du faisceau.
Comment appelle-t-on la partie sombre de l'objet lui-même, du côté qui n'est pas éclairé ?
- A.L'ombre portée
- B.Le cône d'ombre
- C.L'ombre propreBonne réponse
- D.La pénombre
Réponse : C — L'ombre propre
L'ombre propre est la face non éclairée de l'objet lui-même. À ne pas confondre avec l'ombre portée, qui est la zone sombre projetée sur un écran (le sol, un mur). Le cône d'ombre est le volume sans lumière entre l'objet et l'écran.
La lumière parcourt 300 000 km en 1 seconde. Quelle distance parcourt-elle en 2 secondes ?
- A.150 000 km
- B.300 000 km
- C.3 000 000 km
- D.600 000 kmBonne réponse
Réponse : D — 600 000 km
La distance est proportionnelle à la durée : en 2 s, la lumière parcourt 2 × 300 000 = 600 000 km. Répondre 150 000 km revient à diviser au lieu de multiplier ; 300 000 km oublie la deuxième seconde. Vérification : 600 000 ÷ 2 = 300 000 km par seconde.
Lors d'une éclipse de Soleil, dans quel ordre sont alignés les trois astres ?
- A.Lune – Soleil – Terre
- B.Soleil – Lune – TerreBonne réponse
- C.Terre – Soleil – Lune
- D.Soleil – Terre – Lune
Réponse : B — Soleil – Lune – Terre
Lors d'une éclipse de Soleil, la Lune passe entre le Soleil et la Terre : l'ordre est donc Soleil – Lune – Terre. La Lune cache le Soleil et projette son ombre sur la Terre. L'ordre Soleil – Terre – Lune correspond, lui, à une éclipse de Lune.
Parmi ces objets, lequel est une source primaire de lumière ?
- A.La Lune
- B.Un miroir
- C.Un livre posé sur la table
- D.Le SoleilBonne réponse
Réponse : D — Le Soleil
Le Soleil produit sa propre lumière : c'est une source primaire. La Lune, un miroir et un livre ne font que renvoyer la lumière qu'ils reçoivent : ce sont des objets diffusants. La Lune, en particulier, n'émet aucune lumière par elle-même.
Dans un milieu transparent et homogène, comment se propage la lumière ?
- A.En tournant autour des obstacles
- B.En ligne droiteBonne réponse
- C.En zigzag
- D.En cercle
Réponse : B — En ligne droite
Dans un milieu transparent et homogène (air, eau claire, verre...), la lumière se propage en ligne droite : c'est le principe de propagation rectiligne. C'est justement pour cela qu'un obstacle opaque placé sur son trajet crée une ombre bien nette.
Que faut-il pour que l'on puisse voir un objet ?
- A.Que l'objet soit forcément une source primaire
- B.Fermer les yeux un instant
- C.Que l'objet soit transparent
- D.Que de la lumière provenant de l'objet entre dans notre œilBonne réponse
Réponse : D — Que de la lumière provenant de l'objet entre dans notre œil
On voit un objet uniquement si de la lumière venant de lui entre dans notre œil. Un objet diffusant doit d'abord être éclairé, puis renvoyer cette lumière vers nos yeux. Un objet n'a pas besoin d'être une source primaire ni transparent pour être visible.
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