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Lumière

Propagation rectiligne et ombres, miroirs, réfraction et réflexion totale, lentilles et œil, couleurs et prismes, puis les longs efforts pour mesurer la vitesse de la lumière. Dans le laboratoire des ondes, tu suis les rayons dans le verre, l’eau et les lentilles, tracés avec la loi de Snell-Descartes et la relation des lentilles minces.

Progression

À propos de ce cours

En 1849, Hippolyte Fizeau chronométra la lumière sur un aller-retour d'environ 17 km avec une roue tournante de 720 dents. C'est ainsi que le long effort pour mesurer la vitesse de la lumière apparaît dans ce cours, dans la dernière des six unités consacrées à son comportement. Les unités précédentes portent sur ce que tu peux voir de tes propres yeux : les ombres, les miroirs, le verre, l'eau, les lentilles et les arcs-en-ciel.

Les unités commencent par les ombres. Lors d'une éclipse totale de Soleil, le centre sombre de l'ombre de la Lune couvre souvent une bande de moins de 50 miles de large, tandis que la pénombre s'étend sur mille miles ou davantage. Vient ensuite la réflexion : un miroir plan n'a besoin de mesurer que la moitié de ta taille pour montrer tout ton corps. Dans l'unité sur la réfraction, la lumière à l'intérieur d'un diamant ne peut sortir que si elle atteint la surface sous un angle inférieur à 24.4° par rapport à la normale : c'est pourquoi les diamants scintillent. Les lentilles et l'œil montrent que l'œil augmente sa puissance d'environ 50 à 54 dioptries pour faire la mise au point sur un livre situé à 25 cm. Dans l'unité sur la couleur, le verre crown a un indice de réfraction de 1.530 pour le violet à 410 nm et de 1.512 pour le rouge à 660 nm : le violet est donc davantage dévié. Le laboratoire d'ondes trace les rayons avec la loi de Snell et l'équation des lentilles minces. Réduis la lampe à un point et la pénombre disparaît ; déplace la flèche-objet au-delà de 2F pour voir l'image rétrécir.

La dispersion n'est pas toujours souhaitable. OpenStax souligne que de la lumière blanche envoyée dans une fibre optique s'étalerait dans le temps, ce qui explique en partie pourquoi les réseaux de fibres utilisent des lasers.

Avant de commencer

La réfraction et la couleur prennent plus de sens si tu as rencontré la longueur d’onde dans Les ondes et le son, même si les unités sur les rayons, les ombres et les miroirs se suffisent à elles-mêmes. Quelques questions utilisent des sinus et la formule des lentilles ; Trigonométrie est donc un contexte utile, avec une calculatrice.

À la fin du cours

Ensuite, tu pourras calculer la largeur d’une ombre avec des triangles semblables, expliquer pourquoi un miroir en pied n’a besoin d’être que de la moitié de ta taille et trouver l’angle critique du diamant. Tu situeras l’image formée par une lentille, exprimeras la puissance de l’œil en dioptries, diras où doit être le Soleil pour qu’il y ait un arc-en-ciel et suivras la mesure de la vitesse de la lumière par Fizeau avec la roue dentée.

  1. 1La lumière se propage en ligne droite : les ombresLors d’une éclipse totale de Soleil, le centre sombre de l’ombre lunaire couvre souvent une bande de moins de 50 miles de large, alors que la zone partiellement éclairée s’étend sur un millier de miles ou plus.
  2. 2Réflexion et miroirsPour te voir en entier dans un miroir plan, un miroir de la moitié de ta taille suffit, quelle que soit ta position.
  3. 3Réfraction et réflexion totaleDans un diamant, la lumière ne peut sortir que si elle arrive sur la surface à moins de 24.4° de la normale. C’est ce qui fait scintiller les diamants.
  4. 4Les lentilles et l’œilPour faire la mise au point sur un livre à 25 cm, ton œil fait passer sa vergence d’environ 50 à 54 dioptries, soit une hausse de 8 %.
  5. 5Couleurs, prismes et arcs-en-cielLe verre crown dévie un peu plus la lumière violette à 410 nm que la lumière rouge à 660 nm, car son indice vaut 1.530 pour le violet et 1.512 pour le rouge.
  6. 6Mesurer la vitesse de la lumièreEn 1849, Hippolyte Fizeau chronomètre un aller-retour de la lumière sur environ 17 km à l’aide d’une roue tournante de 720 dents.

Cours associés

  • Le mouvement
    Position, vitesse, vecteur vitesse et accélération, puis chute et trajectoire des objets. Dans le laboratoire de mouvement, tu lances une balle sur Terre, sur la Lune ou sur Mars, et la durée du vol, la hauteur et la portée se calculent sous tes yeux.
  • Les forces
    Poussées, tractions, frottements et gravitation, puis les trois lois par lesquelles Newton relie les forces au mouvement. Dans le laboratoire de mouvement, tu fais osciller un pendule sur Terre, sur la Lune ou sur Mars et tu compares sa période à la formule.
  • Énergie
    Travail, énergie cinétique, énergie potentielle, conservation de l’énergie et puissance, avec les calculs détaillés. Dans le laboratoire d’énergie, tu fais circuler un train de montagnes russes avec des barres d’énergie et un curseur de frottement. Tu peux aussi pousser ou soulever une charge pour observer le travail et la puissance.
  • Les ondes et le son
    Ce qu'est une onde, les liens entre longueur d'onde, fréquence et célérité, la propagation du son, la superposition des ondes, pourquoi les cordes et les tuyaux résonnent à certaines notes, et le spectre électromagnétique. Dans le laboratoire des ondes, tu observes cordes, ressorts, son dans un tube, cuves à ondes et ondes stationnaires, calculés avec les mêmes formules que dans les unités.
Sources de ce cours (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 25.2 The Law of Reflection (θr = θi, diffuse vs mirror reflection, image as far behind the mirror)
  • 25.3 The Law of Refraction (Roemer 1676 data -> 2.26 × 10⁸ m/s, about 25% low; Michelson rotating mirrors with a fixed mirror 35 km away, 0.04%; c = 2.99792458 × 10⁸ m/s; n = c/v; Table 25.1 air 1.000293, water 1.333, ice 1.309, crown glass 1.52, flint 1.66, polystyrene 1.49, zircon 1.923, diamond 2.419; Snell's law; 30.0° -> 22.0° gives 1.33; air to diamond 30.0° -> 11.9°; zircon 1.56 × 10⁸ m/s; Ibn Sahl 984; Snell 1580 to 1626; lawn-mower analogy)
  • 25.4 Total Internal Reflection (mirror more than 90%; θc = sin⁻¹(n2/n1); polystyrene 42.2°, water 48.6°, diamond 24.4°; fibre optics, cladding; corner reflectors on bicycles and on the Moon; binoculars)
  • 25.5 Dispersion (Kamal al-Din al-Farisi 1267 to 1319, camera obscura and a water-filled glass vessel; Theodoric of Freiberg; Ibn al-Haytham; about six rainbow colours; Table 25.2 n at 660/610/580/550/470/410 nm; violet bent most; rainbow seen looking away from the Sun; secondary rainbow from two reflections; lasers disperse little)
  • 25.6 Image Formation by Lenses (ray tracing rules, P = 1/f in diopters, 1/do + 1/di = 1/f, m = −di/do, 0.750 m object and f = 0.500 m -> 1.50 m and m = −2.00, magnifier do 7.50 cm -> di −30.0 cm and m = 4.00, Table 25.3 three cases)
  • 26.1 Physics of the Eye (cornea and lens act as one thin lens, most bending at the cornea, cornea n 1.38, lens-to-retina 2.00 cm, near point 25 cm, power 50.0 D to 54.0 D, hair 1.20 × 10⁻² cm at 60.0 cm)
  • 27.3 (Young 1801)
  • NASA science.nasa.gov/eclipses/geometry (umbra, penumbra; typical umbral path may be less than 50 miles wide, penumbra a thousand miles or more) and nasa.gov image article Diagram of Umbra and Penumbra (umbra shrinks, penumbra grows away from the Sun)
  • NASA Visible Light page (Newton 1665 prism experiment, 380 to 700 nm)
  • Royal Society, Fara 2015 commentary on Newton (1672) New Theory about Light and Colours (royalsocietypublishing.org/rsta/article/373/2039/20140213)
  • NIST Meter page (Evenson group 299 792 456.2 ± 1.1 m/s; 1983 definition fixes c = 299 792 458 m/s) and NIST J. Res. 1972 measurement (tf.nist.gov/general/pdf/527.pdf)
  • APS News July 2010, Fizeau (Galileo lanterns; Roemer 1676; Fizeau 1849, 313 300 km/s, about 5% high)
  • Wikipedia Fizeau's measurement (8633 m, 720 notches, 25.2 turns per second -> 313 274 304 m/s, 4.5% high) and Speed of light (Galileo proposal 1638; Foucault 1862 298 000 ± 500 km/s, −0.60%; Michelson 1926 299 796 ± 4 km/s)
  • Baez and DESY "How is the speed of light measured?" (same table)
  • NASA Moon Fact Sheet (mean distance 384 400 km)
  • IAU 2012 astronomical unit 149 597 870 700 m.

Consulté le: 2026-10-17