La lumière : rayons, réflexion, dispersion et spectre électromagnétique
La lumière comme onde électromagnétique, c = f·λ, la loi de la réflexion, pourquoi les prismes et les gouttes de pluie donnent des spectres, la couleur et la diffusion. Avec une expérience sur la loi de la réflexion.
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La lumière est une onde électromagnétique. Dans le vide, elle se propage à c = 3,00 × 10⁸ m/s (à peine moins vite dans l'air) et, comme toute onde, elle obéit à c = f·λ. La lumière visible a des longueurs d'onde d'environ 400 nm à 750 nm : le rouge a la plus grande longueur d'onde et la plus basse fréquence, le violet la plus petite longueur d'onde et la plus haute fréquence.[6]
En optique géométrique, on modélise la lumière par des rayons rectilignes, qui changent de direction sur un miroir ou à la frontière entre deux matériaux. Sur un miroir, l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence, tous deux mesurés par rapport à la normale. Une surface lisse à l'échelle de la longueur d'onde donne une image nette ; une surface rugueuse diffuse la lumière dans toutes les directions (réflexion diffuse).[3][4]
La lumière blanche est un mélange assez uniforme de toutes les longueurs d'onde visibles. Comme l'indice de réfraction d'un matériau dépend de la longueur d'onde, chaque couleur est réfractée différemment : c'est la dispersion. Dans le verre et l'eau, l'indice est plus grand pour les courtes longueurs d'onde, donc le violet est plus dévié que le rouge. Un arc-en-ciel se forme quand la lumière du Soleil est réfractée en entrant dans une goutte de pluie, réfléchie sur sa face arrière, puis réfractée à nouveau en sortant.[5]
Quand la lumière rencontre la matière, elle peut être transmise, réfléchie, absorbée, réfractée ou diffusée. La couleur d'un objet correspond aux longueurs d'onde qu'il réfléchit, les autres étant absorbées.[2]
Le ciel est bleu parce que les molécules de l'air diffusent beaucoup plus fortement les courtes longueurs d'onde que les grandes. Au coucher du Soleil, le trajet dans l'atmosphère est bien plus long : presque tout le bleu est diffusé hors du faisceau direct et le Soleil paraît rouge ou orange.[1]
La lumière du Soleil parcourt environ 1,5 × 10¹¹ m en environ 500 s : huit minutes. Tu vois le Soleil tel qu'il était il y a huit minutes.[7][6]
Essaie: Vérifier la loi de la réflexion
Il te faut
- Un miroir plan avec un support (ou un bloc pour le tenir droit)
- Une boîte à rayons à une fente, ou une lampe de poche couverte de carton noir scotché en laissant une fente étroite
- Une feuille A4, une règle, un crayon bien taillé et un rapporteur
- Une pièce peu éclairée
Sécurité
Les boîtes à rayons chauffent : ne touche pas l'ampoule. Si l'on utilise un pointeur laser, seulement un laser scolaire de faible puissance sous la surveillance de l'enseignant, et ne le dirige jamais vers des yeux ni vers des surfaces brillantes tournées vers des personnes.
Ce qu'il faut faire
- Trace une droite en travers de la feuille et pose le miroir dessus, face réfléchissante le long de la droite.
- Trace la normale : une droite à 90° de la droite du miroir, au milieu de la page.
- Envoie un rayon étroit le long de la feuille pour qu'il touche le miroir exactement au pied de la normale.
- Marque le rayon incident et le rayon réfléchi avec deux points de crayon chacun, puis retire le miroir et trace les rayons à la règle.
- Mesure l'angle d'incidence i et l'angle de réflexion r par rapport à la normale.
- Recommence pour au moins cinq angles (par exemple 15°, 30°, 45°, 60°, 75°) et trace r en fonction de i.
Que se passe-t-il, et pourquoi ?
Les points devraient se trouver sur la droite r = i. Les petits écarts viennent de la largeur du rayon, de l'épaisseur du verre du miroir (c'est le dos argenté qui réfléchit, pas la face avant) et de la lecture du rapporteur. C'est la loi de la réflexion.[4]
Joue: Visible ou pas ?
Utilise c = f·λ (c = 3,00 × 10⁸ m/s). Cette lumière est-elle visible (400–750 nm), au-delà du rouge (infrarouge) ou au-delà du violet (ultraviolet) ?
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