La lumière : sources et propagation

Introduction

Sans lumière, tu ne verrais rien du tout. Mais d’où vient la lumière, comment se déplace-t-elle, et pourquoi les objets ont-ils une ombre ?

Dans ce chapitre, tu vas distinguer les sources de lumière, découvrir que la lumière se propage en ligne droite, et comprendre comment se forment les ombres.

I. Les sources de lumière

On classe les objets qui nous envoient de la lumière en deux familles.

• Une source primaire produit sa propre lumière : le Soleil et les étoiles, une lampe, une flamme, un écran allumé, un laser.
• Un objet diffusant ne produit pas de lumière : il renvoie une partie de la lumière qu’il reçoit. La Lune, une table, un mur, ce cahier… sont des objets diffusants.

La Lune n’est pas une lampe. La Lune ne produit aucune lumière : elle diffuse la lumière du Soleil. C’est un objet diffusant.

La lumière est invisible. On ne voit pas la lumière elle-même se déplacer : on ne voit que les sources et les objets éclairés. Le trajet de la lumière ne devient visible que s’il y a de la fumée ou du brouillard (les fines gouttelettes diffusent la lumière).

II. La propagation de la lumière

Dans un milieu transparent et homogène (le vide, l’air, l’eau claire), la lumière se propage en ligne droite : on dit que sa propagation est rectiligne.

On modélise le trajet de la lumière par un rayon lumineux : une ligne droite munie d’une flèche qui indique le sens de propagation. Un ensemble de rayons forme un faisceau de lumière.

III. La vitesse de la lumière

La lumière se déplace extrêmement vite. Dans le vide et dans l’air, sa vitesse est :

c ≈ 300 000 km/s (kilomètres par seconde).

Rien ne va plus vite que la lumière. C’est si rapide que la lumière fait 7 fois le tour de la Terre en une seule seconde !

L’année-lumière. Comme les distances dans l’espace sont gigantesques, on les mesure parfois en années-lumière (al) : une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an, soit environ 9 461 milliards de kilomètres. (C’est une distance, pas une durée.)

IV. Comment voit-on un objet ?

Pour voir un objet, il faut que la lumière qu’il émet (source) ou qu’il diffuse (objet diffusant) arrive jusqu’à ton œil, sans obstacle opaque sur le chemin.

Selon qu’ils laissent passer la lumière ou non, on classe les matériaux en trois catégories :

• transparent : la lumière passe et on voit nettement à travers (verre, eau claire) ;
• translucide : la lumière passe, mais on ne voit pas nettement à travers (verre dépoli, papier calque) ;
• opaque : la lumière ne passe pas du tout (bois, métal, carton).

À retenir. On voit un objet si la lumière part de cet objet et atteint l’œil. Un objet opaque placé sur le trajet empêche de voir ce qu’il y a derrière.

V. Les ombres

Puisque la lumière se propage en ligne droite, elle ne peut pas contourner un objet opaque. Derrière cet objet, il y a une zone où la lumière n’arrive pas : c’est l’ombre.

On distingue :

• l’ombre propre : la partie de l’objet lui-même qui n’est pas éclairée ;
• le cône d’ombre : la zone sombre dans l’espace, derrière l’objet ;
• l’ombre portée : la zone sombre dessinée sur l’écran (ou sur le sol, le mur…).

Expérience — Fabriquer une ombre

• Matériel : une petite lampe (source ponctuelle), une balle opaque, un écran blanc (ou un mur).
• Protocole : place la balle entre la lampe et l’écran ; observe l’ombre portée ; rapproche puis éloigne la balle de l’écran.
• Observation : une ombre portée apparaît derrière la balle ; sa taille change quand on déplace la balle.

Conclusion. L’ombre se forme parce que la lumière se propage en ligne droite et ne traverse pas l’objet opaque.

VI. Application : les éclipses

Les éclipses s’expliquent par les ombres, quand le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés.

• Éclipse de Soleil : la Lune passe entre le Soleil et la Terre. Elle cache le Soleil et projette son ombre sur la Terre.
• Éclipse de Lune : la Terre passe entre le Soleil et la Lune. La Lune entre alors dans le cône d’ombre de la Terre et n’est plus éclairée.

L’essentiel à retenir

À retenir.

• Une source primaire produit sa lumière ; un objet diffusant renvoie la lumière qu’il reçoit (ex. la Lune).
• Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite (propagation rectiligne), modélisée par un rayon lumineux fléché.
• Vitesse de la lumière : c ≈ 300 000 km/s. L’année-lumière est une distance.
• On voit un objet si sa lumière atteint l’œil. Matériaux : transparent, translucide, opaque.
• Derrière un objet opaque éclairé, il se forme une ombre (ombre propre, cône d’ombre, ombre portée).

Exercices

Exercice 1 — Source primaire ou objet diffusant ?

Pour chacun, indique s’il s’agit d’une source primaire ou d’un objet diffusant :

1. Le Soleil.
2. La Lune.
3. Une bougie allumée.
4. Un livre posé sur une table.

Exercice 2 — Vrai ou faux

Pour chaque affirmation, réponds par vrai ou faux et justifie :

1. La lumière se propage en ligne droite dans l’air.
2. On voit la lumière se déplacer dans une pièce ordinaire.
3. La Lune produit sa propre lumière.
4. La vitesse de la lumière est d’environ 300 000 km/s.

Exercice 3 — Transparent, translucide ou opaque ?

Classe ces objets : une vitre propre — un mur en briques — une feuille de papier calque — l’eau claire d’un verre — une porte en bois.

Exercice 4 — Comprendre une ombre

On éclaire une balle opaque avec une petite lampe ; un écran est placé derrière.

1. Pourquoi une ombre se forme-t-elle derrière la balle ?
2. Comment s’appelle la zone sombre dessinée sur l’écran ?
3. Si la lumière pouvait contourner la balle, y aurait-il une ombre ?

Exercice 5 — Petit calcul : la lumière du Soleil

Le Soleil est à environ 150 000 000 km de la Terre. La lumière voyage à 300 000 km/s.

1. Combien de temps la lumière du Soleil met-elle pour arriver jusqu’à nous ? (On utilisera : temps = distance ÷ vitesse.)
2. Exprime ce temps en minutes.

Corrigés

Corrigé de l’exercice 1

1. Le Soleil : source primaire.
2. La Lune : objet diffusant (elle renvoie la lumière du Soleil).
3. Une bougie allumée : source primaire.
4. Un livre : objet diffusant.

Corrigé de l’exercice 2

1. Vrai.
2. Faux. La lumière est invisible : on ne voit que les sources et les objets éclairés (sauf s’il y a de la fumée ou du brouillard).
3. Faux. La Lune ne produit pas de lumière : elle diffuse celle du Soleil.
4. Vrai.

Corrigé de l’exercice 3

• Transparents : une vitre propre, l’eau claire d’un verre.
• Translucide : une feuille de papier calque.
• Opaques : un mur en briques, une porte en bois.

Corrigé de l’exercice 4

1. Parce que la lumière se propage en ligne droite et ne traverse pas la balle opaque : derrière la balle, la lumière n’arrive pas.
2. C’est l’ombre portée.
3. Non : s’il n’y avait pas de propagation rectiligne, la lumière contournerait la balle et il n’y aurait pas d’ombre.

Corrigé de l’exercice 5

1. temps = distance ÷ vitesse = 150 000 000 ÷ 300 000 = 500 secondes.
2. 500 s ÷ 60 ≈ 8,3 minutes, soit environ 8 minutes et 20 secondes.