Une mini-introduction à physique de la lumière (2 semaines de cours)

1 – Qu’est-ce que la lumière ?

Premières réponses :

– c’est une forme d’énergie, on parle de l’énergie lumineuse

– c’est la forme d’énergie qui est détectée par la rétine des être vivants

 

Cette énergie est décrite par la physique de deux manières différentes :

– comme une onde électro-magnétique – œuvre du physicien J. C. Maxwell (1831-1879)

(source: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/wavebasics/basicwavesjavafigure1.jpg)

– comme des paquets de photons – œuvre du physicien A. Einstein (1879-1955)

(source: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/92/Sem_X_photon.svg/200px-Sem_X_photon.svg.png)

 

Quelques propriétés de la lumière :

– la lumière n’a pas de masse (vous ne pourrez jamais la peser)

– la lumière qui n’entre pas en contact avec la rétine est invisible on ne voit pas les rayons du soleil, on voit seulement l’image du soleil quand ses rayons pénètrent dans nos yeux

– la lumière se déplace à la vitesse de la lumière : 299 792,458 km/sec dans le vide, on arrondit souvent cette vitesse à 300 000 kilomètres par seconde (plus facile à mémoriser), lorsque la lumière traverse des matériaux transparents, sa vitesse est réduite

– à notre échelle et en l’absence d’obstacles, la lumière se propage en ligne droite

– contrairement au son, la lumière se propage dans le vide (définition du vide : l’espace où il n’y a pas de matière : pas de gaz, pas d’atomes, rien que de l’espace)

– la lumière peut traverser la matière, être absorbée ou encore être reflétée par elle.

la lumière traverse la lumière

 

on peut caractériser la lumière :

– par son spectre électromagnétique 

– par sa puissance

– par sa direction de propagation dans l’espace

Ces trois propriétés sont des caractéristiques physiques, objectives. Le lien entre elles et la vision des couleurs sera indirect.

On remarquera deux choses :

– La lumière naturelle est toujours “polychromatique” : son spectre électromagnétique est la somme d’une multitude de longueur d’ondes différentes

– seules certaines sources de lumière artificielles produisent des lumières “monochromatiques” ou “monofréquentielles” : comme par exemple les Laser

(source : http://s3.amazonaws.com/mprgenieproduction/binaries/11772/laser_pointer.jpg)

 

on peut aussi caractériser la lumière :

– par sa chromaticité

– par son intensité

Ces deux propriétés ont un lien direct avec la vision/perception des couleurs

 

D’autres mondes

bruno

Giordano Bruno (1548-1600)

(source : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Giordano_Bruno.jpg/220px-Giordano_Bruno.jpg)

Suite à la théorie de Copernic (1473-1543), qui plaçait le soleil au centre de l’univers – ou au centre de ce que nous nommons aujourd’hui le “système solaire” -, Giordano Bruno affirma qu’il existait une pluralité de mondes ou d’univers, en nombre infini, qui sont tous – à l’exception du nôtre -, inconnus de nous.

Bruno sera brulé par l’inquisition comme hérétique en l’an 1600 à Rome, suite à un long procès autour de ses idées et de ses écrits philosophiques et religieux.

Planets everywhere, “vision d’artiste” (comme ils appellent ça chez les scientifiques)

(source : ESO/M. Kornmesser  http://www.eso.org/public/images/eso1204a/ )

Le 8 septembre 2014, on avait découvert 1822 exoplanètes dans l’univers (source : http://exoplanet.eu/), et il y a au moins 100 milliards de planètes ne serait-ce que dans notre galaxie, la Voie lactée (source: http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/kepler20130103.html#.VCVqJBZQRhQ)

Le moins que l’on puisse dire est que la vision de Bruno était loin d’être dénuée de sens…

(source: http://cdn4.sci-news.com/images/enlarge/image_1965_3e-Kapteyn-b-c.jpg)

 

Une analogie entre l’audition et la vision

Vous avez déjà, je pense, entendu parler des “ultrasons”, ces son aigus que certains animaux (chiens, insectes, par exemple) peuvent entendre.

un sifflet à ultrasons

un sifflet ultrason (source : http://img.pecheur.com/mini-sifflet-januel-ultra-son-z-738-73864.jpg)

Il n’est pas nécessaire d’explorer les confins de l’univers pour découvrir d’autres mondes : prenez un microphone spécial qui permet d’enregistrer les ultrasons et vous découvrirez un autre monde : celui de la communication sonore de certaines souris, grenouilles, de certains écureuils, et d’une multitude d’insectes.

Le son et la lumière sont des ondes

Le son est une onde qui se propage dans la matière (dans l’air, l’eau, le métal, etc.)

Onde sonore (source: http://www.mediacollege.com/audio/images/loudspeaker-waveform.gif)

L’exemple des ultrasons nous montre que nous ne sommes pas capables d’entendre les sons qu’entendent certains animaux. Nous sommes capables d’entendre une large gamme de sons, mais pas tous.

La lumière dans le monde humain

La situation est similaire avec la lumière : la lumière est composée d’ondes électromagnétiques, mais seule une partie de ces ondes est visible pour nous.

Oiseaux, insectes, poissons, mammifères sont inégaux quand à leur sensibilité aux ondes électromagnétiques. Les abeilles voient dans l’ultraviolet, le serpent boa, les poissons piranhas et les moustiques, voient dans l’infrarouge.

En ce qui nous concerne, nous appelons “Lumière” seulement la partie des ondes électromagnétiques à laquelle nous sommes sensibles :

(source : http://www.oneonta.edu/faculty/baumanpr/geosat2/RS-Introduction/FIGURE%202%20EM.JPG)

La Lumière – ce à quoi nous sommes sensibles – est une portion minuscule de l’immense variété des ondes électromagnétiques (rayons X, micro-ondes, ultraviolets, infrarouges, ondes radio, chaleur rayonnante, etc.)

Les cellules photosensibles

Notre rétine possède 5 types de cellules sensibles à la lumière :

(Oui oui, j’ai bien écrit 5 cellules !)

– Type 1 : les cellules à mélanopsine sont sensibles à la lumière mais n’ont aucun rôle dans la vision, elles sont en revanche importantes pour l’horloge biologique (Voir par exemple : http://www.larecherche.fr/actualite/vie/horloge-biologique-retine-redecouverte-01-06-2002-88478 )

Seulement 4 types sont liés à la vision :

– Type 2 : les bâtonnets, responsables entre-autres de la vision crépusculaire et de la vision dans l’obscurité.

– Type 3 : les cônes S, M, L, responsables de la vision de jour en couleur.

On appelle la vision de jour la vision diurne, ou vision photopique.

images de la rétine humaine (source : http://astro.berkeley.edu/~jrg/chabot/Slide34.JPG)

Comme pour la peau, les cheveux, les yeux, les rétines sont variables selon les individus, cependant – sauf dans le cas de particularités biologiques (les “daltoniens”, par exemple) – nous tombons d’accord la plupart du temps sur les noms à associer aux couleurs que nous percevons.

Il serait en revanche extrêmement difficile de tomber d’accord avec un étourneau !

         

comparaison de la sensibilité des 3 cônes de la rétine humaine, avec celle des 4 cônes de la rétine d’un étourneau. (sources : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tourneau_sansonnet#mediaviewer/File:Common_starling_in_london.jpg   et : http://www.webexhibits.org/causesofcolor/images/content/Absorption_peaks.jpg )

 

Une “onde” ?

Fréquence, amplitude, direction

Il y a plusieurs sortes d’ondes:

– les ondes sismiques (tremblements de terre), les ondes à la surface de l’eau (vagues, vaguelettes), les ondes radio, Wifi, GSM, les micro-ondes (toutes des ondes électromagnétiques comme le sont les ondes lumineuses), les ondes à la surface des cordes vibrantes (cordes de piano, guitare, violon…), etc.

Oscillation d’une onde sinusoïdale (source: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/74/Simple_harmonic_motion_animation.gif)

Une onde est un phénomène périodique – c’est à dire qu’il se répète dans le temps.

En même temps une onde se déplace dans l’espace, généralement à une vitesse constante (vitesse du son, vitesse de la lumière, etc.), et cette vitesse dépend du milieu dans laquelle elle se propage.

Le son se déplace plus vite dans l’eau à 20°C : 1480 m/sec, contre 333 m/sec dans l’air à 20°C (source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse_du_son#Vitesse_du_son_dans_diff.C3.A9rents_milieux)

La lumière se déplace par contre moins vite dans l’eau : +- 225 000 km/sec, que dans l’air : +- 300 000 km/sec (source : http://villemin.gerard.free.fr/Science/Lumvites.htm)

La fréquence d’une onde

La fréquence d’un phénomène périodique peut-être mesurée en périodes par secondes, on appelle cette unité de mesure des HERTZ, notés Hz, d’après le nom du Physicien Heinrich Hertz (1857-1894). Hertz a prouvé l’existence des ondes électromagnétiques, par conséquent on les appelle aussi “ondes hertziennes”

Tic, Tac, Tic, Tac… exemples :

L’aiguille “trotteuse” d’une vieille horloge change de position toutes les secondes. Quelle est la fréquence de son changement de position ?

Réponse : 1 période de changement par seconde, soit 1 Hz

Il y a 4,41 naissances dans le monde chaque seconde(source, fiabilité inconnue: http://www.planetoscope.com/natalite/16-nombre-de-naissances-dans-le-monde-natalite-mondiale-.html)

Quelle est la fréquence moyenne des naissances d’êtres humains dans le monde ?

Réponse : 4,41 Hz

Mon GSM sonne toutes les 10 minutes :

1 minute = 60 secondes, donc il sonne toutes les 600 secondes, la fréquence est de 1/600 Hz soit environ 0,00167 Hz

 

La longueur d’onde (Wavelength en anglais) et l’amplitude

Représentation d’une onde sinusoïdale (source: http://s2.e-monsite.com/2010/02/16/12/son-ondes.gif)

La distance que mesure une période – on prend par exemple une photo de la mer et on mesure la distance moyenne qui sépare les vagues – se nomme la longueur d’onde.

Si l’on reprend l’exemple des vagues, leur hauteur se nomme aussi leur amplitude.

On résume :

Plus l’amplitude est importante, plus …

L’énergie de l’onde est importante

Plus la longueur d’onde est courte et plus …

La période entre deux répétitions est courte

Et donc, plus la fréquence est…

Élevée !

 

Analogie avec le son :

Plus la fréquence est élevée et plus le son est aigu

Plus la longueur d’onde est longue et plus le son est grave

Plus l’amplitude est élevée et plus le son est fort

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