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LA LUMIÈRE

Solar Impulse est un avion qui n’utilise pas de carburant fossile, mais uniquement de l’énergie venant de la lumière du Soleil, c’est une énergie inépuisable et disponible en tout temps.

Cette fiche te permettra de découvrir ce qu’est la lumière et de faire quelques manipulations pour mieux comprendre certaines de ses propriétés.

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rédaction : Michel Carrara

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

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QU’EST-CE QUE LA LUMIÈRE ?

« C’est d’abord ce que je vois. Quand je vous vois, c’est parce qu’il y a de la lumière. Je ne vois pas la lumière, mais c’est grâce à la lumière que vous émettez que je vous vois. »

Hubert Reeves

La lumière est donc ce qui rend les objets visibles à notre œil, mais c’est bien plus que cela : il s’agit de la partie visible de ce qu’émet notre Soleil. On distingue généralement dans cette lumière sept cou-leurs, celles de l’arc-en-ciel : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet.

Décomposition de la lumière par les gouttes d’eau formant un arc-en-ciel

Bricotest: Décompose la lumière à l’aide d’un CD et d’une bulle de savon

Par une journée ensoleillée, il est possible de voir les couleurs de l’arc-en-ciel grâce à un CD ou à une bulle de savon. Il suffi t d’orienter correctement la surface brillante du CD ou la bulle de savon pour voir la décomposition de la lumière (couleurs de l’arc-en-ciel).

Bricotest: Regarde la lumière émise par l’élément sodium

Remplis le pulvérisateur d’eau fortement salée et pulvérise cette solution dans la direction de la fl amme du brûleur. Observe la couleur émise.Matériel : du sel de cuisine, de l’eau, un pulvérisateur et un brûleur à gaz

Pour visualiser ces couleurs, il suffi t d’observer la surface d’une bulle de savon ou d’un CD. La lumière y est décomposée.

rayon du soleil

observateurDans un arc-en-ciel, ce sont les gouttes d’eau en suspension dans l’atmosphère qui décomposent la lumière du Soleil.

Steve Jurvetson (CC-BY)

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SYNTHÈSE DE LUMIÈRE

Si on superpose les lumières des différentes cou-leurs de l’arc-en-ciel, on obtient de la lumière blanche. On peut aussi retrouver de la lumière blanche en superposant les lumières des cou-leurs primaires (rouge, bleu et vert).

Fabrique un téléphone et communique avec ton camarade

Matériel

• 2 pots de yaourt

• 3 à 5 mètres de fi celle de cuisine

• 1 grosse épingle

• 1 paire de ciseaux

• 1 copain !

Bricotest: Regarde l’addition des couleurs

Superpose les différentes lumières afi n d’observer les couleurs obtenues.Matériel : 3 lampes avec des ampoules de couleur rouge, verte et bleue ou 3 lampes avec des dia-positives rouge, verte et bleue placées devant.

Que se passe-t-il lorsque nous voyons un vase en nous disant qu’il est bleu, une fl eur en nous disant qu’elle est jaune ?

Le Soleil

L’énergie solaire transmise par rayonnement rend possible la vie sur Terre par un apport d’énergie thermique et de lumière, permettant la présence d’eau à l’état liquide et la photosynthèse des végétaux.

Le rayonnement solaire est aussi responsable des climats et de la plupart des phénomènes météorologiques observés sur notre planète.

La matière de chaque objet reçoit la lumière à sa façon. Ainsi le vase que l’on voit bleu absorbe la lu-mière et ne réémet que le bleu. C’est celle-ci que notre œil perçoit. De même pour la fl eur jaune, elle absorbe la lumière dans son ensemble et ne réémet que le rouge et le vert dont le mélange donne le jaune, ce qui nous fait dire que la fl eur est jaune.

Addition des couleurs primaires

lumière bleuelumière magenta

lumière verte

lumière cyan

lumièreblanche

lumière jaune

lumière rouge

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MAIS QU’EST-CE QU’UNE ONDE ? [1]

La couleur est en réalité la perception subjective qu’a une personne d’une ou de plusieurs longueurs d’ondes lumineuses. En effet, la lumière est une onde électromagnétique.

Sans doute as-tu déjà jeté un caillou dans l’eau calme. À ce moment-là, la surface plane de l’eau est perturbée, faisant apparaître des vagues. Ces vagues ne restent pas sur place, elles se dé-placent.Elles s’écartent toutes en cercles concentriques de l’endroit où le caillou est entré dans l’eau. C’est un exemple d’onde qui permet de donner une première définition : une onde est une perturba-tion qui se déplace. Dans notre exemple, il s’agit d’une perturbation de la surface de l’eau. Mais des ondes se forment dans d’autres situations.

Ainsi, les mouvements qui agitent une corde tendue sont également des ondes : en donnant à une extrémité de la corde un mouvement brusque, la déformation de la corde (la perturbation) se déplace jusqu’à l’autre bout. On a, là encore, une perturbation qui se déplace, ce qu’on appelle une onde. Mais cet exemple nous permet aussi de mettre en évidence le fait que la matière elle-même, dans laquelle l’onde se propage, ne bouge pas. La perturbation créée s’est déplacée, mais la corde n’a pas bougé. De même, imaginons un bouchon flottant sur une eau calme et sans vent : si une petite vague passe, elle soulève le bouchon, puis le repose, mais en aucun cas le bouchon n’a été emporté par la vague ! Il est resté sur place.

Une onde n’est pas accompagnée de déplacement de matière. La vague contient de l’énergie. Mais elle n’est pas accompagnée d’un déplacement d’eau. C’est finalement juste de l’énergie qui circule. En effet, il faut de l’énergie pour soulever le bouchon, et de même, il faut de l’énergie pour créer une impulsion sur la corde.

Les ondes jouent en fait un grand rôle pour nos sens, car l’énergie qu’elles transportent, c’est aussi de l’information que notre corps perçoit : nos yeux et nos oreilles sont là pour capter ce que la lumière ou le son, qui sont des ondes, nous transmettent, sans qu’il y ait besoin que de la matière soit déplacée.

Donc, la lumière est une onde… électromagnétique. [2]

Nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique (comme le champ magnétique terrestre, par exemple, qui oriente une boussole, voir fiche « LES AIMANTS »). Si on crée une petite per-turbation de ce champ, elle se propage. Perturber le champ électromagnétique, c’est comme créer des vagues à la surface de l’eau en y jetant un caillou. On crée de petites perturbations qui se propagent, c’est-à-dire des ondes.

[1] Paragraphe inspiré de http://www.e-scio.net/ondes/ondes.php3 (consulté le 29.11.2012).[2] Paragraphe inspiré de http://www.e-scio.net/ondes/lumiere.php3 (consulté le 29.11.2012).

Roger McLassusn (CC-BY-SA)

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4002000

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

600 800 12001000 1400

Longueur d’onde (en nm)

Intensité (kW/m2)

U.V. Visible Infrarouges

1600 20001800 2200 2400 2600

Spectre d’émission du soleil mesuré au niveau de la mer.

Si on étudie les ondes électromagnétiques émises par le Soleil, la partie visible de ce qui nous parvient est la partie qui a la plus grande intensité.

1 pm

400 nm 500 nm 600 nm 700 nm 800 nm

1 nm

Rayons X U.V. Infrarouges

Spectre visible

Micro-ondes Ondes radioRayons γ

1 μm 1 mm 1 m 1 km

λ

Le spectre des ondes élec-tromagnétiques est bien plus étendu que celui de la lumière visible, il englobe tous les rayonnements dont chacun a entendu parler. [3]

[3] Le visible correspond à la lumière perçue par l’homme, les rayons γ sont des rayonnements radioactifs, les rayons X sont utilisés pour les radiographies, les U.V. (ultra-violets) sont des rayonnements de hautes énergies bien connus, les infrarouges correspondent à des rayonnements de chaleur, les micro-ondes et les ondes radios sont des rayonnements aussi bien connus de tous.L’échelle utilisée pour décrire le spectre des ondes électromagnétiques est celle de la longueur d’onde (défi nie dans la suite de cette fi che. Les pm sont les picomètres (10-12 m), les nm sont les nanomètres (10-9 m), les μm sont les micromètres (10-6 m), les mm sont les millimètres (10-3 m), les m sont les mètres et les km sont les kilomètres (103 m).

Et bien, la lumière est justement une onde électromagnétique. La lumière est une perturbation du champ électromagnétique qui se déplace. Cela lui donne la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, parce que même dans le vide, il y a un champ électromagnétique. Ce n’est pas le cas des autres ondes, qui ont besoin d’un support matériel : par exemple, le son se déplace dans l’air et les vagues à la surface de l’eau. Les perturbations du champ électromagnétique, dont la lumière, se déplacent à une vitesse vertigineuse : 300’000 kilomètres par seconde dans le vide ou dans l’air ! En une seconde, la lumière a le temps de faire plus de 7 fois le tour de la Terre. Elle met un peu plus de 8 minutes pour faire le trajet Soleil-Terre.

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Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 - 1947) est un physicien allemand, lauréat du Prix Nobel de physique en 1918, de la Médaille Lorentz en 1927, et du prix Goethe en 1945.

L’énergie transportée par la lumière est responsable de l’échauffement que l’on ressent lorsqu’on s’ex-pose au soleil. On appelle photon la particule de lumière qui transporte cette énergie.

Il est possible d’utiliser cette énergie pour la transformer en une autre forme d’énergie : l’électricité. C’est le principe des panneaux solaires photovoltaïques. C’est justement de ce type d’équipement qu’est muni Solar Impulse. Il vole grâce à la lumière ! Pour en savoir plus sur cette transformation de l’énergie lumineuse en électricité, consulte la fi che « LES CELLULES SOLAIRES ».

On calcule l’énergie E grâce à la relation suivante établie par Planck :

E l’énergie en joules [J] h la constante de Planck : h = 6,626 · 10 -34 [J·s] ν la fréquence en hertz [Hz] λ la longueur d’onde en mètres [m] c la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 · 108 [m/s] = 3 00’000 [km/s]

E = h ∙ ν = h ∙ cλ

L’ÉNERGIE DE LA LUMIÈRE

Chaque couleur a une longueur d’onde (λ) diffé-rente (cette longueur correspond, pour l’exemple du caillou jeté dans l’eau, à la distance entre deux sommets de vagues), donc une énergie différente. Bien que le spectre soit continu et qu’il n’y ait pas de frontière claire entre une couleur et la suivante, la tabelle ci-contre donne les limites approchées des couleurs qui constituent la lumière blanche. [4]

Longueur d’onde λ :

Rouge 800 à 620 nmOrange 620 à 590 nmJaune 590 à 575 nmVert 575 à 492 nmBleu 492 à 465 nmIndigo 465 à 435 nmViolet 435 à 400 nm

[4] Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumière_visible (consulté le 30.11.2012).

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Exercice 1Cette illustration contient une erreur scientifique. Laquelle ?

ET TOUT CELA EN CHIFFRES…

Exercice 3Cette photo prise en 2004 représente la nébuleuse Dumbell, connue pour être la nébuleuse planétaire la plus facile à ob-server avec un instrument d’optique. Sa forme en papillon est le résultat de l’explosion d’une étoile qui se déroule sous nos yeux alors qu’elle s’est produite il y a 3500 ans.

Explique comment il est possible d’observer aujourd’hui une explosion qui a eu lieu il y a 3500 ans.

Exercice 2Complète chaque phrase en utilisant le verbe de la liste ci-dessous qui paraît le plus approprié :diffuser, étaler, transmettre, réfléchir, absorber, disperser, éclairer, émettre

Un objet noir _____________________ la lumière.

La nuit, nous pouvons voir la Lune car elle _________________ la lumière du Soleil.

Le Soleil nous éclaire car il _________________ de la lumière.

Une fleur est invisible si elle n’est pas _________________.

Lukáš Kalista (CC-BY-SA)

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Exercice 5La vitesse de la lumière dans le vide est très grande : 300’000 km/s. Elle met 4 heures et 12 minutes pour aller du Soleil à Neptune, planète la plus éloignée du Système Solaire. Calcule la distance So-leil-Neptune en km.

Exercice 6En superposant des lumières composées de couleurs primaires, quelles couleurs peut-on obtenir ?

Superposition de lumières Couleur perçue

Rouge et bleu

Rouge et vert

Vert et bleu

Rouge, vert et bleu

Exercice 7Absorption de la lumière par un objet

a) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l’éclaire avec de la lumière cyan ?

b) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l’éclaire avec de la lumière bleue ?

Exercice 8Que devrait-on dire au lieu de « cet objet est de couleur bleue » ?

Exercice 9En considérant les longueurs d’ondes suivantes, détermine la couleur correspondante et calcule l’éner-gie associée à un photon de cette couleur :

Longueur d’onde [nm] 600 550 480 400

Couleur

Energie [J]

Exercice 4Alkaïd, une des étoiles de la Grande Ourse, est située à 9,4608 · 1014 km de la Terre. Calcule le temps que met la lumière pour nous parvenir. Exprime le résultat en secondes puis en années.