Chapitre

Rappels

La lumière n'est pas instantanée, elle voyage dans les milieux transparents avec une certaine vitesse, dont la valeur change d'un milieu à un autre. Dans un milieu homogène, la lumière voyage en ligne droite. La lumière est moldélisable à l'aide de rayons lumineux : la vision s'explique par le voyage des rayons de lumière depuis la source lumineuse vers nos yeux.

Passer la lumière à la loupe

La lumière, qu'est-ce que c'est ? Newton, encore lui, s'est posé la question et bien d'autres scientifiques avant et après lui. Mais Newton a permis d'en savoir plus concernant la lumière du Soleil ou des bougies de son époque. Comment ?

Lorsque la lumière traverse un prisme, une sorte de petite pyramide de verre, on voit alors apparaître un bandeau coloré de lumière, à la façon d'un arc-en-ciel. Alors le prisme aurait fabriqué des couleurs ? Non : Newton place deux cartons pour ne laisser passer que la lumière rouge et dispose un autre prisme ; pas de nouvelles couleurs ! Le prisme ne fabrique pas des couleurs, par contre il les sépare.
La lumière blanche est constituée d'un ensemble de rayons (ou rayonnements ou radiations, autant de synonymes) de couleurs et le prisme peut les disperser.

Représentation artistique de l'expérience de Newton

Chacune des couleurs est caractérisée par sa longueur d'onde, une grandeur qui permet de décrire la lumière comme des vagues à la surface de la mer. Elle se mesure en mètres, et dans le cas de la lumière, plus facilement en milliardièmes de mètres : les nanomètres (nm). La longueur d'onde du violet est de 400 nm, celle du rouge est de 800 nm, et toutes les autres couleurs ont des longueurs d'onde dans cet intervalle : on reconstitue alors le spectre de la lumière blanche :

Représentation ondulatoire de la dispersion de la lumière blanche par un prisme

Depuis Newton, on a pu disperser la lumière provenant de nombreuses sources lumineuses : d'autres étoiles, des ampoules, des LEDS, des lasers, etc ! À chacune son spectre : un laser possède bien souvent un spectre avec une unique couleur, une raie lumineuse ; les spectres des étoiles présentent des multitudes de raies qui indiquent chacune la composition chimique de l'étoile ou sa température. En effet, plus une source lumineuse est chaude, plus son spectre est riche en radiations de faible longueur d'onde, dans la gamme du violet. Les spectres sont alors une ressource importante pour apprendre à connaître la source de la lumière.

hydrogen spectrum — Spectre de raie de la lumière produite à l'aide de vapeurs d'hydrogène, Merikanto, Adrignola, CC0, via Wikimedia Commons

Spectres lumineux de la lumière produite par des sources portées à différentes températures, C. Bellessort académie de Caen

Le voyage de la lumière

Depuis sa source, la lumière voyage jusqu'à rencontrer un obstacle opaque. Quel chemin emprunte-t-elle ? Les rayons lumineux se propagent en ligne droite dans les milieux homogènes, c'est-à-dire qui présentent en chaque point les mêmes propriétés. La lumière peut même voyager dans le vide, c'est d'ailleurs là qu'elle est la plus rapide : sa vitesse est d'environ 3,00 × 10⁸ m/s, soit 300 000 km/s ! Cette valeur est universellement notée c. Dans l'air, quasiment la même vitesse. Par contre, la lumière va moins vite dans l'eau, "seulement" 200 000 km/s. Chaque matériau transparent est alors caractérisé par un nombre, son indice de réfraction, noté n qui compare la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide et dans le matériau transparent : n = c / v.
Et si on passe d'un milieu à un autre ? de l'air à l'eau ? de l'eau au verre ?

Photo du phénomène de réfraction d'un faisceau lumineux qui se propage d'abord dans l'air puis dans le plastique. Le rayon réfléchi, très peu lumineux dans ce cas, n'est pas visible.

Lorsque la lumière change de milieu de propagation, elle subit une déviation, il s'agit du phénomène de réfraction. Une partie de la lumière est même réfléchie à la frontière entre les deux milieux, on parle de réflexion.
La déviation de la lumière s'explique par sa vitesse de propagation. Dans les milieux matériels, la lumière est ralentie et se propage à une vitesse v plus petite que dans le vide, c.

Les trois lois de Snell-Descartes décrivent la déviation de la lumière :
- Les rayons incident, réfléchi, réfracté et la normale sont tous dans un même plan.
- L'angle d'incidence et l'angle de réflexion sont égaux.
- Les angles d'incidence et de réfraction sont liés aux indices des milieux : n₁ × sin(i₁) = n₂ × sin(i₂).
Lors d'un passage à un milieu plus réfringent (c'est-à-dire d'indice plus grand), le rayon s'approche de la normale. Inversement, au passage vers un milieu moins réfringent, le rayon s'écarte de la normale.

Schéma légendé de la situation

Vidéo sur les phénomènes de réfraction et réflexion.

Animation illustrant les phénomènes de réfraction et réflexion dela lumière sur un dioptre

Œil et vision

Si un œil voit, c'est que de la lumière est rentrée dedans. Et puis ?
L'œil est capable de devier les rayons lumineux qui le pénètrent pour les orienter vers la rétine, la membrane qui tapisse le fond de l'œil et qui collecte l'information lumineuse pour la transformer en message électrique à destination du cerveau. C'est grâce à son cristallin, une pièce anatomique de l'œil, que la lumière peut être convenablement déviée et orientée vers la rétine. Comment ce cristallin fonctionne-t-il ?

loupe — Focalisation d'un faisceau de lumière par une lentille convergente

On peut modéliser son fonctionnement à l'aide d'une lentille mince convergente, un disque de verre plus ou moins épais comme on en trouve dans les loupes. Le verre qui compose ces lentilles, par son indice de réfraction, dévie les rayons lumineux. La façon dont le verre est taillé permet de choisir l'intensité avec laquelle la lumière sera déviée. Les rayons d'un faisceau de lumière éclairant une lentille peuvent même tous se croiser au même point derrière la lentille : ce point F' s'appelle le foyer-image de la lentille. La lentille possède un autre foyer F, appelé foyer-objet qui est symétrique au foyer-image par rapport au centre de la lentille.

La distance entre le centre de la lentille et le foyer image est la distance focale de la lentille. La marche des rayons lumineux au travers d'une lentille mince convergente est bien connue pour trois rayons :

Le rayon lumineux traversant la lentille par son centre n'est pas dévié ;
Le rayon parallèle à l'axe optique de la lentille est dévié en direction du foyer-image ;
Le rayon passant par le foyer-objet est dévié pour se propager ensuite parallèlement à l'axe optique.

Document indiquant le chemin suivi par trois rayons lumineux

Animation illustrant la propagation des rayons lumineux dans une expérience comprenant une lentille mince convergente

L'image formée est en aval de la lentille et elle est renversée. De plus, selon le cas, elle peut être plus grande ou plus petite que l'objet. On définit alors le grandissement γ du système optique : c'est le rapport de la taille de l'image sur la taille de l'objet.
Dans l'œil, l'image qui se forme de notre environnement est renversée et souvent plus petite que les objets qu'on regarde.