TP4 Comment obtenir de la lumière coloréeComment obtenir de la lumière colorée ??

Objectifs de la séance :

- Distinguer lumière monochromatique et lumière polychromatique ;- Comprendre le rôle d'un ou plusieurs filtres colorés sur la lumière ;- Aborder et comprendre les notions de synthèse additive et soustractive ;- Appliquer les connaissances établies à l’étude d’un écran LCD ;- Savoir interpréter la couleur observée d’un objet éclairé ;- Savoir interpréter les phénomènes d’absorption, de diffusion et de transmission.

1.1. Superposition de lumières coloréesSuperposition de lumières colorées (synthèse additive) (synthèse additive)

Matériel à votre disposition :

Source de lumière Filtre des 3 couleurs primaires (rouge, vert, bleu) Ecran blanc

Protocole expérimental : Placez un filtre sur chaque sortie de la source de lumière (voir schémas ci-dessous) Effectuez toutes les combinaisons possibles et complétez le tableau ci-dessous.

Couleur des filtres Couleur observée sur l’écran

M1 : Centre :

Centre :M2 :

M1 :Centre :

M1 :Centre :M2 :

PrincipePrincipe ::

Un dispositif approprié (voir ci-dessous) permet de combiner entre elles des lumières colorées rouge, verte et bleue en les superposant deux par deux (ou les trois ensemble) sur un écran blanc.

Q1.Q1. Quel est le rôle d’un filtre ?Q2.Q2. La couleur observée sur l’écran est-elle une couleur perçue ou une couleur spectrale ? Justifiez votre réponse.Q3.Q3. Complétez le cercle chromatique. (voir annexe)Q4.Q4. Deux couleurs sont complémentaires l’une de l’autre si, lorsqu’on les superpose, elles donnent le spectre de la lumière blanche. Quels sont les 3 couples de couleurs complémentaires (voir annexe) ?

2.2. Synthèse soustractiveSynthèse soustractive

Matériel à votre disposition :

Source de lumière Filtre des 3 couleurs scondaires (magenta, jaune, cyan) Ecran blanc

Protocole expérimental :

Placez devant une source de lumière blanche, un ou plusieurs filtres. Effectuez toutes les combinaisons possibles et complétez le tableau page suivante.

Couleur du (des) filtre(s) Couleur observée sur l’écran

Questions

PrincipePrincipe ::

Un dispositif approprié (voir ci-dessous) permet de placer un filtre sur le trajet d’un faisceau de lumière blanche et on observe la lumière colorée obtenue, sur un écran blanc.

Q5.Q5. Complétez le cercle chromatique. (Voir annexe)

3.3. L’affichage à cristaux liquides (LCD)L’affichage à cristaux liquides (LCD)

Travail à faire :

Allumez l'ordinateur et observez l’écran à l'aide d’une loupe et décrire ce que vous observez. L’écran est constitué de pixels. Essayez de représenter un pixel à partir de votre observation. Allez dans « ressources partagées » et ouvrir le fichier « Mire.jpg » :

En observant cette mire sur l’écran avec une loupe, complétez le tableau ci-dessous :

R = rougeV = vertB = bleu

Sous-pixel(s) illuminé(s) V

Couleur perçue du pixel Blanche Magenta Jaune Cyan Rouge Bleue Verte

Question

MilieuLumière incidente

Q6.Q6. Un pixel émet-il de la lumière ?Q7.Q7. Comment un pixel parvient-il à afficher une couleur donnée ?Q8.Q8. Pourquoi ce procédé est-il qualifié de synthèse « additive » ?

4.4. Couleur des objets

On réalise l’expérience suivante, dite « du coucher de Soleil » :

Q9.Q9. Complétez les cadres du schéma ci-dessus à l’aide des termes : absorption, réflexion, diffusion et transmission.Q10.Q10. Complétez le tableau ci-dessous :

Couleur perçue de la lumièretransmise

Couleur perçue de la lumièrediffusée

Couleur perçue de la lumièreréfléchie

La lumière solaire est diffusée par les fines particules de poussière et les molécules des gaz présentes dans l’atmosphère terrestre (N2, O2, CO2, vapeur d’eau, etc.).

Q11.Q11. En quoi cette expérience peut-elle expliquer le bleu du ciel ? La couleur rouge-orangé du Soleil au coucher ?Q12.Q12. Définir les phénomènes d’absorption, de transmission et de diffusion. (Voir annexe)

5.5. ConclusionConclusion

En vous appuyant sur les différentes expériences réalisées, concluez en répondant à la question du début de l’activité.

Questions

Questions

ANNEXEANNEXESuperposition de lumières coloréesSuperposition de lumières colorées (synthèse additive) (synthèse additive)

Synthèse soustractiveSynthèse soustractive

Couleurs complémentaires :

Couleur complémentaire

Absorption :

Transmission :

Diffusion :

CORRECTIONCORRECTION1. Superposition de lumières coloréesSuperposition de lumières colorées (synthèse additive) (synthèse additive)

Q1.Q1. Un filtre absorbe une partie de la lumière qu’il reçoit et transmet le reste.Q2.Q2. La couleur observée sur l’écran est une couleur perçue :

- Une couleur spectrale est une couleur dont le spectre ne présente qu’une seule longueur d’onde ;- Une couleur perçue est l’impression visuelle que nous donne une lumière.

Q3.Q3. Cercle chromatique :

Q4.Q4. Les 3 couples de couleurs complémentaires sont :

Rouge Vert BleuCouleur complémentaire Cyan Magenta jaune

2.2. Synthèse soustractiveSynthèse soustractive

Q5.Q5. Cercle chromatique :

3. L’affichage à cristaux liquides (LCD)L’affichage à cristaux liquides (LCD) (LCD = Liquid Cristal Display)

Nos yeux ne distinguent pas les différents sous-pixels, ils mélangent les lumières colorées primaires (rouge, verte et bleue) provenant de chacun d’eux. On peut ainsi reproduire pratiquement toutes les couleurs perçues par l’œil humain, par synthèse additive des couleurs.

R = rougeV = vertB = bleu

Sous-pixel(s) illuminé(s) RVB RB RV VB R B V

Couleur perçue du pixel Blanche Magenta Jaune Cyan Rouge Bleue verte

Q6.Q6. Un pixel n’émet pas de lumière lorsqu’il doit afficher du noir.

Réflexion

Diffusion

MilieuTransmission

Diffusion

Absorption

Lumière incidente

Q7.Q7. Affichage d’une couleur par un pixel :

Q8.Q8. Pour afficher une couleur sur l’écran, on règle l’intensité lumineuse de chaque sous-pixel afin d’obtenir la couleur voulue pour le pixel : les sous-pixels étant très petits, l’œil ne les distingue pas et perçoit la superposition des lumières colorées émises (synthèse additive).

4.4. Couleur des objets

Q9.Q9. Schéma complété :

Q10.Q10. Tableau complété :

Couleur perçue de la lumièretransmise

Couleur perçue de la lumièrediffusée

Couleur perçue de la lumièreréfléchie

Jaune- Orangée Bleue Blanche

Q11.Q11. Interprétations :

- Ciel bleu : La lumière bleue est beaucoup plus diffusée que les autres lumières colorées.- Coucher de Soleil jaune – orangé : la couleur jaune-orangée transverse la couche de l’atmosphère alors que

les autres couleurs sont diffusées par la couche épaisse de l’atmosphère traversée.

Q12.Q12. Définitions des phénomènes :

Absorption :

L’énergie reçue de la lumière incidente n’est pas renvoyée (sous forme de lumière visible ou pas) dans une ou plusieurs directions

Transmission :

Toute ou partie de l’énergie reçue de la lumière incidente passe à travers l’objet sans être absorbée

Diffusion :

Toute ou partie de l’énergie reçue de la lumière incidente est renvoyée dans toutes les directions de l’espace

FICHE TP n°4FICHE TP n°4(Comment obtenir de la lumière colorée(Comment obtenir de la lumière colorée ?)?)

Type d’activité : Activité expérimentale (TP 1,5 h)

Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.

Pré- requis :

Notions d’objet, d’image. Construire géométriquement l’image d’un objet à travers une lentille mince convergente (éventuellement).

NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES

Synthèse additive, synthèse soustractive.Absorption, diffusion, transmission.

Principe de la restitution des couleurs par un écran plat (ordinateur, téléphone portable,…)

Utiliser les notions de couleur blanche et de couleurs complémentaires.Prévoir le résultat de la superposition de lumières colorées et l’effet d’un ou plusieurs filtres colorés sur une lumière incidente.Distinguer couleur perçue et couleur spectrale.Recueillir et exploiter des informations sur le principe de restitution des couleurs par un écran plat

Compétence spécifique :

- Savoir illustrer et de comprendre la notion de lumière colorée.

Compétences transversales :

- Rechercher, extraire, organiser des informations utiles.- Raisonner, argumenter, démontrer.- Mobiliser ses connaissances.

Matériel (par groupe) :

- lanternes (12 V) (avec miroirs latéraux) avec alimentation ;- filtres Rouge, Vert, Bleu, Cyan, Magenta et Jaune ;- Un écran blanc ;- 1 Loupe à main.

Bureau professeur :

- Microscope + téléphone portable couleur.- Lampe à vapeur de sodium- Source de lumière blanche + prisme- 1 jeu de filtres couleurs primaires (RVB)- Lampe UV ;- Aquarium avec fluorescéine ;- Nécessaire pour préparer expérience lumière

liquide.

Déroulement de la séance :

DOCUMENTS PROFESSEURDOCUMENTS PROFESSEURTechnologie LCD

LCD signifie Liquid Crystal Display, c'est-à-dire, en français, écran à cristaux liquides. Un tel écran se compose de plusieurs couches. A l'arrière, des tubes fluorescents éclairent les cristaux liquides, lesquels sont coincés entre deux filtres qui ne laissent passer la lumière que sous un certain angle : ils sont dits polarisants. Les cristaux liquides, quant à eux, jouent le rôle de stores : la quantité de lumière qu'ils laissent passer, varie en fonction de la tension électrique qui leur est appliquée. En bout de course, des filtres colorés teintent la lumière sortante de rouge, de vert ou de bleu selon le sous-pixel.

Technologie LCD-LED :

Les écrans LCD sont utilisés aussi bien pour les téléviseurs que pour les appareils mobiles de taille réduite. Leur épaisseur résulte essentiellement du système de rétroéclairage. Pour la réduire, les fabricants ont remplacé les tubes fluorescents par des centaines de LED, d'où l'appellation LCD LED indiquée sur certains écrans. C'est uniquement le système d'éclairage qui diffère. La technologie d'affichage reste, elle, identique. Il y a alors deux possibilités : soit les LED émettent directement de la lumière blanche, soit elles se déclinent en rouge, vert et bleu de manière à recréer la lumière blanche (LCD LED RVB ou RGB).

Dernière déclinaison de la technologie LCD, les écrans LED Edge. Dans ce cas, les diodes, au lieu de tapisser la face arrière de l'écran, occupent ses côtés, dans l'épaisseur du cadre. Et c'est un fond réfléchissant qui répartit alors la lumière sur toute la sur face de l'écran.Technologie OLED :

Pour créer les sous-pixels, les écrans OLED utilisent des cousines des diodes électroluminescentes (LED). Lesquelles sont conçues à partir de composants organiques (d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de carbone), d'où le O d'OLED. Leur avantage par rapport aux LED classiques : elles peuvent couvrir des surfaces. Pas de système de rétroéclairage, la diode de chaque sous-pixel émet sa propre lumière quand elle est activée électriquement. Sur un écran OLED, la diode est prise entre deux électrodes (anode et cathode) en forme de grilles linéaires disposées perpendiculairement. La mise en lumière d'un sous-pixel s'effectue par la mise sous tension de la ligne de l'anode et de la colonne de la cathode correspondante.

Technologie Amoled :

Déclinaison de l'Oled, l'écran Amoled est équipé d'une grille de circuits électroniques, appelée matrice active (Active Matrix). Chaque sous-pixel possède des transistors qui permettent de l'activer directement. Un tel système permet de réduire la consommation électrique et d'augmenter la précision de l'affichage. Les écrans Oled et Amoled, beaucoup plus fins que les écrans LCD grâce à l'absence de rétroéclairage, sont actuellement dévolus aux écrans de

petites tailles (baladeurs, appareils photo numériques et téléphones mobiles). Certains téléviseurs Oled existent, mais demeurent très onéreux. Pour l'instant.

Technologie Imod :

Bien que les appareils équipés d'écrans Imod ne soient pas encore en vente, cette technologie mérite d'être citée pour son approche originale. L'écran Imod exploite la lumière ambiante pour donner vie aux couleurs. Revers de ce principe : un tel écran est illisible dans le noir. Pour parvenir à créer des couleurs, la technologie Imod, comme Interferometric Modulator (modulateur interférométrique), s'inspire des ailes irisées des papillons.Les sous-pixels sont constitués de pièges à lumière. Des composants électroniques prennent la forme d'une cavité et sont équipés d'une partie mécanique, une membrane souple et réfléchissante. Comment fonctionnent ces cellules ? La lumière extérieure entre dans la cavité, traverse un empilement de films très fins qui la décompose, et vient frapper la membrane miroir. Par un jeu d'interférences entre les rayons lumineux, la lumière qui s'échappe est d'une unique couleur, celle-ci dépendant de la profondeur de la cavité. Quand la membrane réfléchissante reçoit une impulsion électrique, elle se colle à l'empilement de films par attraction électrostatique et bouche la cavité. Dans ce cas, la cellule absorbe toute la lumière incidente, elle apparaît donc noire. Les sous-pixels rouge, vert et bleu sont donc chacun composés de plusieurs cellules Imod, afin de faire varier leur luminosité.

Technologie plasma :

A une échelle minuscule, l'écran plasma reprend le principe du tube néon. Chaque sous-pixel est l'équivalent d'une lampe phosphorescente : il enferme un gaz (mélange d'argon et de xénon) qui, lorsqu'il est placé sous tension, se met dans un état d'excitation appelé plasma. Il émet alors des rayons ultraviolets (UV), invisibles à l'œil. Chaque

sous-pixel contient aussi un luminophore. Lequel est constitué d'une substance chimique qui réagit aux UV en émettant de la lumière.La composition chimique du luminophore détermine la couleur de la lumière qu'il émet. Quant à la variation de la luminosité de chaque sous-pixel, on joue sur la fréquence d'excitation électrique. Pour une même durée, plus un sous-pixel est excité souvent, plus le plasma émet des UV, plus la réponse du luminophore paraît intense. En raison de la taille des pixels (deux fois celle des pixels d'un écran LCD), la technologie plasma s'installe plutôt dans les écrans de plus d'un mètre de diagonale.

Source : 01net