La lumière : sources, modèle du rayon et propagation

• La lumière arrive naturellement au lever du Soleil. Sa présence accompagne les êtres vivants toute la journée jusqu'à son coucher.

• En l'absence de lumière naturelle, puis artificielle grâce à l'Homme, le développement de la vie aurait été très différent. En effet, sans elle, la Terre n'aurait peut-être pas été une source de vie aussi prolifique qu'elle ne l'est actuellement.

• Si une lampe est allumée, il est possible de voir la lampe et les objets l'avoisinant car ces corps émettent de la lumière atteignant les yeux d'un observateur.

I. Les sources de lumière

1. Sources ponctuelles et étendues

Il existe deux types de sources de lumière distinctes : les sources étendues et les sources ponctuelles.

$\textcolor{purple}{\text{a. Source ponctuelle}}$

• Définition :

  Une source est dite ponctuelle si celle-ci peut être assimilée à un point qui émet de la lumière.

• Exemple : une diode électroluminescente (D.E.L ou LED en anglais), un laser ou une lampe de projecteur sont des sources de lumière ponctuelles car celles-ci sont assimilées à un point qui émet de la lumière.

$\textcolor{purple}{\text{b. Source étendue}}$

• Définition :

  Une source est dite étendue si celle-ci est de très grande dimension.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Le Soleil est une source de lumière étendue car ses dimensions sont très grandes ;

  $\circ\quad$ La Lune ne produit pas de la lumière mais elle diffuse celle reçue du Soleil dans toutes les directions qui lui sont offertes. De par sa taille, elle est aussi assimilée à une source de lumière étendue.

2. Sources primaires et secondaires

$\textcolor{purple}{\text{a. Source primaire (ou objet lumineux)}}$

• Définition :

  Les objets produisant eux-mêmes de la lumière qu'ils émettent sont des sources primaires de lumière.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Le Soleil est une source de lumière primaire et naturelle car il produit lui-même sa lumière et envoie ses rayons lumineux ;

  $\circ\quad$ Une diode électroluminescente (D.E.L), un laser ou une lampe de projecteur sont également des sources de lumière primaires mais artificielles.

• Remarque : pour une source primaire, il est également possible de parler d'objet lumineux.

$\textcolor{purple}{\text{a. Source secondaire (ou objet diffusant)}}$

• Définition :

  La plupart des objets diffusent une partie de la lumière qu'ils reçoivent (absorbant l'autre partie) et la renvoient dans toutes les directions qui lui sont offertes : ce sont des sources secondaires de lumière.

• Exemple : la Lune est une source de lumière secondaire car elle ne produit pas de lumière ; elle diffuse celle reçue du Soleil dans toutes les directions qui lui sont offertes.

• Remarque : pour une source secondaire, il est également possible de parler d'objet diffusant.

II. Modèle du rayon lumineux et propagation de la lumière

1. Milieu de propagation de la lumière

• La lumière n'est pas visible directement, mais peut être visualisée à l'aide de fines particules telles que les poussières, les fumées ou les gouttelettes d'eau qui la diffusent vers nos yeux :

  

• Définition :

  Un milieu est dit homogène s'il a les mêmes propriétés en tous ses points.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Un milieu est dit transparent si la lumière issue de l'objet peut le traverser avant de parvenir à nos yeux. C'est le cas du vide ou de l'air.

  $\circ\quad$ Un milieu est dit opaque s'il ne laisse pas la lumière le traverser.

  $\circ\quad$ Enfin, un milieu est dit translucide s'il absorbe une partie de la lumière et diffuse le reste.

2. Rayon lumineux et propagation de la lumière

$\textcolor{purple}{\text{a. Introduction}}$

• Tout le monde a déjà observé des raies de lumière le matin à travers les volets. Ces raies sont parallèles et rectilignes d'où la conclusion que la lumière se propage en ligne droite en milieu homogène et transparent.

• L'ensemble des rayons lumineux forme un faisceau lumineux.

• Le rayon lumineux est la droite suivant laquelle la lumière se propage. C'est une représentation schématique qui nous explique le phénomène physique que constitue la propagation de la lumière.

$\textcolor{purple}{\text{b. Principe de propagation rectiligne}}$

• Dans un milieu transparent et homogène, la lumière provenant d'une source ponctuelle se propage en ligne droite.

• Le rayon lumineux est le trajet suivi par la lumière depuis un point d'un objet lumineux.

$\textcolor{purple}{\text{c. Représentation}}$

• Même si une source ne peut être réellement ponctuelle, on représente la source par un point, on utilise la notion de rayons lumineux pour représenter le faisceau et on trace les rayons extrêmes de ce faisceau issus de la source ponctuelle.

• Schéma de la représentation d'un rayon et d'un faisceau lumineux issus d'une source ponctuelle :

III. Ombre et pénombre

• Les zone d'ombre sont des surfaces que la lumière de la source ne peut atteindre. La propagation rectiligne de la lumière permet d'expliquer la formation des ombres.

• Deux cas sont étudiés : le cas de la source ponctuelle et celui de la source étendue.

1. Cas d'une source ponctuelle

• On éclaire un objet placé devant un écran avec une source ponctuelle (par exemple lampe à filament).

• Sur l'objet, on observe son ombre propre et sur l'écran, on observe son ombre portée.

• Schéma d'un objet éclairé par une lampe :

2. Cas d'une source étendue

• Si on utilise un globe lumineux à la place de la source ponctuelle, l'expérience se fait maintenant avec une source étendue.

• On observe une zone de pénombre qui correspond à une zone qui n'est éclairée que par une partie de la source. Cette région reçoit la lumière ne provenant que de certains points de la source étendue. Comme vu précédemment, la zone d'ombre ne reçoit aucun rayon de la source étendue alors que la zone de pénombre recevra des rayons que d'une partie seulement de la source étendue.

• Schéma d'un objet éclairé par un globe lumineux :

• L'utilisation des ombres a été longtemps utilisée pour se repérer dans le temps ou construire des calendriers (cadrans solaires). En effet, les ombres indiquent la position du Soleil.

• En conclusion, on retiendra que l'ombre portée d'un objet éclairé par une source étendue est composée par deux zones : la zone de pénombre et la zone d'ombre (= ombre portée). Dans la zone de pénombre, on peut voir une partie de la source.

3. Application dans le système solaire : les éclipses

• A toute les périodes de l'Histoire, les éclipses ont toujours fasciné l'Homme : l'éclipse de Soleil put être interprétée comme une punition divine et l'éclipse de Lune comme un signe divin. De nos jours, l'observation d'une éclipse partielle ou totale est synonyme de manifestations astronomiques avec port de lunettes obligatoire. Sa date est connue à l'avance avec précision.

• Définition : une éclipse est la disparition totale ou partielle d'un astre par interposition d'un autre astre, ce phénomène étant vu par un observateur.

• Deux types d'éclipses sont étudiés : l'éclipse de Lune (ou lunaire) et l'éclipse de Soleil (ou solaire). Dans les deux cas, le Soleil est assimilé à une source étendue :

  $\circ\quad$ Eclipse lunaire : il arrive que le Soleil, la Terre et la Lune soient alignés dans cet ordre, c'est-à-dire que la Terre passe entre le Soleil et la Lune - et ceci à la pleine Lune - mais il est très rare que cet alignement se produise ! De la Terre, l'observateur ne voit plus alors la Lune qui est dans la zone d'ombre de la Terre. La Lune peut être masquée partiellement ou totalement par la zone d'ombre portée par la Terre : on parle alors d'éclipse partielle ou totale de la Lune. Il y a éclipse de Lune car celle-ci ne peut plus diffuser la lumière du Soleil (puisqu'elle est masquée par la Terre, qui joue donc le rôle d'écran).

  $\circ\quad$ Eclipse solaire : lorsque le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés dans cet ordre, et ceci à la nouvelle Lune (ce qui se produit aussi très rarement), alors les observateurs qui sont situés dans la zone d'ombre de la Lune ne voient plus le Soleil car il est caché par la Lune : il y a éclipse totale du Soleil. Si les observateurs sont placés dans la zone de pénombre, alors la Lune ne cache qu'une partie du Soleil : il y a éclipse partielle du Soleil. C'est la Lune qui joue le rôle d'écran.