À la fin de cette leçon, l’élève devra être en mesure de :
- Définir l’objet de l’optique.
- Distinguer les sources réelles des sources apparentes.
- Définir ombre et décrire les phénomènes qu’elle engendre.
- Expliquer le mode de propagation de la lumière.
- Identifier les corps transparents, translucides et opaques.
- Décrire la réfraction et la reflexion de la lumière.
- Expliquer le fonctionnement du miroir, de la loupe et du microscope.
- Expliquer le phénomène « arc-en-ciel ».
Observons le rayonnement du soleil, une bougie allumée, une lampe électrique allumée. Ces phénomènes lumineux perçus par nos yeux constituent l’objet d’une science appelée optique.
Définition
L’optique est la partie des sciences physiques qui étudie l’ensemble des phénomènes lumineux et leurs applications.
Objet
L’optique a pour objet l’étude des phénomènes lumineux, c’est-à-dire ceux qui sont perçus par l’œil, organe de la vue ; tels que : la flamme d’une bougie, le filament incandescent d’une ampoule électrique, le rayonnement du soleil.
Les Sources Lumineuses
Une source lumineuse est tout corps qui émet de la lumière. On distingue deux grandes catégories :
- Sources réelles : elles produisent elles‑mêmes la lumière.
Exemples : le Soleil, une bougie, une ampoule électrique.
La lumière peut être produite par incandescence (corps portés à haute température) ou par luminescence (réactions chimiques ou électriques à basse température). - Sources apparentes : elles ne créent pas de lumière, mais renvoient celle qu’elles reçoivent d’une source réelle.
Exemples : la Lune, un miroir, une feuille d’aluminium.
La Notion d’ombre
Expérience
Exposons au soleil, à faible distance du sol, une pierre ou un ballon : il se forme une ombre, due à l’absence de lumière interceptée par la pierre.
Définition
On appelle ombre l’obscurité produite par un corps qui intercepte la lumière. En d’autres termes, c’est la portion de l’espace totalement privée de lumière.
Derrière un objet opaque éclairé par une source lumineuse se trouve une région non éclairée appelée ombre.
Lorsque la source est ponctuelle et l’objet sphérique, on observe un cône d’ombre.
Un objet se trouvant dans un cône d’ombre ne reçoit aucune lumière de la source.
Les éclipses
On appelle éclipse la disparition totale ou partielle d’un astre par l’interposition d’un autre.
Éclipse du Soleil
- Lorsque la Lune passe entre la Terre et le Soleil, son ombre est projetée sur la Terre.
- Pour les habitants se trouvant dans cette ombre, il fait subitement nuit en pleine journée, pendant environ sept minutes : c’est une éclipse de Soleil.
- Ce phénomène se produit lors d’une phase de Nouvelle Lune.
- Elle peut être totale (régions situées dans le cône d’ombre) ou partielle (régions périphériques où l’on voit une partie seulement du Soleil).
Éclipse de Lune
- Lorsque la Lune passe derrière la Terre, elle traverse la zone d’ombre de la Terre.
- Elle devient alors rapidement invisible dans le ciel nocturne : c’est une éclipse de Lune.
- Ce phénomène se produit lors d’une nuit de Pleine Lune.
- L’éclipse de Lune peut être totale (la Lune passe entièrement dans le cône d’ombre de la Terre, durée max : 2 h) ou partielle (seule une partie de la Lune traverse la zone d’ombre).
Propagation de la Lumière
Dans le vide et dans les milieux transparents et homogènes, la lumière se propage en ligne droite à la vitesse de 300 000 km/s. Les lignes droites issues de la source lumineuse sont appelées rayons lumineux.
Les faisceaux lumineux
Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux émis par une source de lumière. Autrement dit, ce n’est pas un seul rayon isolé, mais un groupe de rayons qui se déplacent ensemble dans une certaine direction.
On distingue trois types principaux de faisceaux lumineux :
-
Faisceau parallèle
Les rayons sont parallèles entre eux.
Exemple : la lumière du Soleil qui arrive sur Terre (à grande distance, les rayons sont pratiquement parallèles). -
Faisceau convergent
Les rayons se rapprochent et se rencontrent en un point appelé foyer.
Exemple : les rayons du Soleil traversant une loupe ou une lentille convergente. -
Faisceau divergent
Les rayons s’éloignent les uns des autres à partir de la source.
Exemple : la lumière d’une bougie ou d’une lampe de poche.
Corps Transparents, Translucides, Opaques
Un corps transparent, translucide ou opaque se définit par la manière dont il laisse passer la lumière :
- Corps transparents
Ils laissent passer la lumière sans la diffuser. On voit nettement les objets à travers.
Exemples : air, eau claire, verre mince.
Expérience : un caillou au fond d’un récipient rempli d’eau est visible distinctement. - Corps translucides
Ils laissent passer la lumière partiellement, mais la diffusent.
On distingue la présence des objets, sans les voir clairement.
Exemples : papier calque, verre dépoli, vitre teintée.
Expérience : à travers du papier huilé, on devine des formes mais pas les détails. - Corps opaques
Ils ne laissent pas passer la lumière.
Les objets derrière sont totalement invisibles.
Exemples : bois, métal, carton épais, mur.
Expérience : une lampe de poche dirigée sur un mur ne traverse pas.
Réfraction et Réflexion de la lumière
La réfraction de la lumière est le phénomène par lequel un rayon lumineux change de direction lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre, de densité différente.
Expérience
Plongeons un long crayon dans un verre d’eau et observons latéralement. Le crayon semble présenter une cassure à la séparation eau/air.
De même, un faisceau de lumière parallèle change de direction au niveau de la surface de séparation air-eau.
Ce phénomène explique aussi qu’un poisson ne se trouve pas exactement à l’endroit où on croit le voir dans l’eau d’un bassin ou d’une rivière.
La réflexion de la lumière est le phénomène par lequel un rayon lumineux rebondit sur une surface et repart dans une autre direction, au lieu de traverser le corps.
Le miroir plan
Un miroir plan est une surface plane réfléchissante, capable de renvoyer la lumière qu’elle reçoit.
- La surface d’une eau calme joue le rôle de miroir.
- La vitre d’un magasin renvoie une partie de la lumière : elle fait “miroir”.
- Une surface métallique polie réfléchit également la lumière.
Expérience
Avec une lampe de poche, envoyons un faisceau lumineux sur un miroir plan : celui-ci renvoie la lumière dans une autre direction; il y a réflexion de la lumière.
La loupe
La loupe est un instrument d’optique qui permet d’observer des détails ou des objets de petites dimensions en les agrandissant. Elle fait aussi converger les faisceaux de rayons parallèles.
Expérience 1 La loupe converge la lumière du soleil sur une feuille de papier en transformant par réfraction un faisceau de rayons parallèles en faisceau de rayons convergents.
Expérience 2 Plaçons la loupe à quelques centimètres d’une feuille de papier quadrillé : les carreaux apparaissent agrandis. La loupe grossit donc les objets de petites dimensions. Le grossissement dépend de la distance loupe-objet.
Le Microscope
Le microscope est un appareil qui permet de voir des objets très petits, invisibles à l’œil nu. Il fonctionne comme une double loupe :
- Une première loupe, appelée objectif, agrandit l’objet observé.
- Une deuxième loupe, appelée oculaire, agrandit l’image donnée par la première.
Le Phénomène Arc-en-ciel
Expérience
La lumière du soleil est une lumière blanche. Si l’on projette au soleil de fines gouttelettes d’eau, on observe une infinité de couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.
Ce phénomène résulte de la décomposition de la lumière du soleil par les gouttelettes d’eau en une infinité de couleurs, dont les principales sont les sept couleurs de l’arc-en-ciel.
Les sept couleurs de l’arc-en-ciel constituent le spectre de la lumière blanche. On retrouve ces couleurs étalées en cercles concentriques autour du soleil en période d’humidité.
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