Les couleurs et les phénomènes lumineux

• La propagation des ondes dans la matière: réflexion, réfraction, diffusion, diffraction, polarisation, interférence• Les couleurs• Des phénomènes lumineux :

le mirage, l’arc-en-ciel, le bleu du ciel

le soleil rouge au coucher

La propagation de la lumière

• réflexion

• réfraction

• diffusion

• polarisation

• interférence

Réflexion et réfraction

n1 sin1 = n2 sin 2

Cas où n2 n1

Rayon incident

Rayon réfracté

Rayon réfléchi

n1

n2

θ1

θ2

Réflexion et réfraction

n1 sin1 = n2 sin 2

Cas où n2< n1

Rayon incident

Rayon réfracté

Rayon réfléchi

n2

n1

θ1

θ2

La réfraction: une paille dans un verre

Réflexion totale

n1 sin1 = n2 sin 2

Rayon incident

Pas de rayon réfracté

Rayon réfléchi

n1

n2

θM

Cas où n2< n1

Pour des valeurs de θ1 θM, :

Sin θM = n2/n1 c.a.d. θ2 = π/2

Il n’y a pas de rayon réfracté, toute la lumière incidente est réfléchie

L’écran de cinéma diffuse la lumière

La diffusion

• absorption du rayonnement solaire (blanc somme de toutes les couleurs)

• réémission dans toute les directions, plus vers l’avant que dans les autres directions

• D ~ 1/4; le bleu est 16 fois plus diffusé que le rouge.. C’est l’origine du bleu azur du ciel

Le miroir réfléchit la lumière La neige diffuse et réfléchit la lumière

Et le bleu du ciel

La polarisation

À chaque photon est associé un plan d’onde.. À un rayonnement lumineux est associé un grand nombre de photons, un grand nombre de plans d’onde.. Toutes les orientations sont permises.

La lumière naturelle contient tous les plans d’onde

La polarisation

Une réflexion polarise la lumière incidente par le fait qu’elle renforce la composante du plan d’onde parallèle à la surface réfléchissante aux dépends des autres

La polarisation

Les insectes percoivent la polarisation de la lumière ce qui leur permet en cas de fuite d’éviter de se frapper contre des surfaces (qui polarisent la lumière), la lumière d’un espace libre n’étant pas polarisée

Les verres polarisés éliminent les rayons réfléchis par les obstacles et la chaussée brillante et permettent d’éviter les éblouissements

Deux surfaces réfléchissantes perpendiculaires vont ainsi réduire (jusqu’à couper) l’intensité du rayonnement

Le phénomène d’interférence

Les couleurs

• dans notre milieu de vie: par absorption sélective

• la télévision: par addition des couleurs dites fondamentales

Cer

cle

de

tein

tes

illu

stra

nt

les

cou

leu

rs p

rin

cip

ales

La perception des couleurs :La vue

L’oeil : un organe de détection de signaux lumineux transformés en impulsions nerveuses

Le cerveau: un organe de traitement «intelligent» des impulsions nerveuses (faire du sens)

Une caractéristique particulière de l’organe de la vue:

la sensation de jaune est produite par la couleur jaune comme par l’abscence de bleu dans la lumière blanche

La réponse spectrale de l’oeil

La perception de l’addition des couleurs

fondamentales

Vert + rouge = jaune

jaune + bleu = blanc

La télévision

L’absorption sélective des couleurs du spectre du visible

Le filtre jaune absorbe fortement le bleu, moins le vert et le rouge, laisse passer le jaune

Le filtre bleu absorbe fortement le rouge et le jaune, moins le vert, laisse passer le bleu

La superposition de ces deux filtres favorise le vert

a) Feuille de lierre

b) Citron

c) Tomate

d) Tissu gris

L’œil perçoit la lumière blanche sans bleu : jaune

La

sou

stra

ctio

n d

es c

oule

urs Les trois filtres juxtaposés coupent

la transmission des couleurs: le noir perception de la non détection de photons lumineux

Le blanc: la somme des couleurs

ni =c0/ci

(nm) couleur indice (verre)

360 UV 1,539

434 violet 1,528

486 bleu-vert 1,523

589 jaune 1,517

656 rouge 1,514

La dispersion des couleurs

Les ondes électromagnétiques ont la même vitesse de propagation (célérité) c0 dans le vide.

Cela n’est plus vrai dans les milieux de propagation matériels. Les célérités différentes engendrent la dispersion des ondes réfractées.

Le Mirage, un effet optique

Une succession de réfractions de la lumière ambiante qui conduit à la condition de réflexion totale et la production d’une image

Une stratification thermique de l’air qui entraîne une variation de l’indice optique

Le mirage, un effet optique

Réfractions successives jusqu’à un angle propre à la réflexion totale

Le Mirage sur TerreRappel: • la vitesse de la lumière croît légèrement avec la température de l’air

Cela implique que nchaud < nfroid

Tn

T3

T0

T1

T2

Tn: température de l’air

T0: température de l’air au contact du sol

Tn …< T3< T2 <T1<T0: température des couches d’air qui diminue avec la distance au sol

réfraction

réflexion totale

Une succession de réfractions qui conduit à la condition de réflexion totale et la production d’une image inversée

Oeïl

Le Mirage en MerRappel: • la vitesse de la lumière croît légèrement avec la température de l’air

Cela implique que nchaud < nfroid

• l’évaporation produit du froid (chaleur latente)

Tn

T3

T0T1

T2

Tn: température de l’air

T0: température de l’air au contact de la mer

T0 <T1 < T2 < T3< …Tn : température des couches d’air qui augmente avec la distance de la surface de la mer

Une succession de réfractions qui conduit à la condition de réflexion totale et la production d’une image droite

évaporation

Discover, juin 03 p.30

L’Arc-en-ciel

L’Arc-en-ciel: réfraction et interférence

Chaque gouttelette d’eau en suspension dissocie la lumière blanche en ses composantes par effet de réfraction (neau nair)

L’interférence constructive (même chemin optique) fait que l’arc-en-ciel prend la forme d’un arc de cercle centré sur notre œil. Ceci explique le fait que l’arc en ciel se déplace avec le mouvement de l’observateur

Le phénomène d’interférence etla couleur des papillons

Les

coul

eurs

: effe

ts ?

couleur Caractéristiques appréhendées

blanc Somme de toutes les couleurs, lumière naturelle du Soleil

noir Absence d’excitation des cellules nerveuses (appréhension de l’obscurité)

rouge Vigoureux, impulsif, sympathique

orange Sociable, aimable

jaune Idéaliste, phylosophe

vert Compréhensif, confiant, tolérant

bleu Conservateur, sérieux

violet Calmant, frais, couleur digne et profonde

pourpre Triomphant, précieux, mystérieux

rose Romantique, tonique

brun Conservateur, triste

Les

coul

eurs

: effe

ts ?

couleur Effets psychologiques

Effets physiologiques

remarques

noir Employé seul est déprimant Utile pour créer des contrastes

rouge Stimule l’agressivité, crée des réactions émotionnelles, sensation de chaleur

Stimule les fonctions physiologiques et l’activité mentale

Très important en chromothérapie, effet de couleur chaude

orange Porte à la joie, stimule la créativité, donne l’imprssion de bien-être

Stimule l’appétit, la digestion et l’émotivité

À utiliser comme le rouge, à dose modérée pour ne pas fatiguer

jaune Bonne humeur, joie, stimulant intellectuel

Sensibilité maximale de l’œil,, stimule l’émotivité

vert Reposant, calme l’esprit Sédatif, soulage les migraines Modère un éclairage solaire trop vif

bleu Calme, tendance vers l’introspection, l’idéation, l’euphorie

Calmant, diminue les rythmes biologiques

Effet de couleur froide

violet Agit sur le cœur, les poumons et la circulation sanguine

À l’effet stimulant du rouge et tonique du bleu

pourpre Calme, porte à la mélancolie Légèrement calmant

rose Stimule légèrement Effet calmant sur les agités

brun Seul, produit une dépression endort À utiliser avec précaution

Discover, juillet 03, p.63

La pollution lumineuse et les astronomes

Discover, juillet 03, p.60

Aurore boréale

Discover, juin 03 p.18La Recherche, janv. 2004, p.86

Pour la Science, avril-juin 03, p.78 Dossier hors-série

les illusions optiques