Thème : Couleur Chap 1 : LA LUMIERE 1) Introduction :
- Exemples de sources naturelles de lumière : soleil (les étoiles), ver luisant, certains champignons et poissons, flamme d’un corps en combustion…
- Exemples de sources artificielles de lumière : lampes à filament, tube fluorescent, diode électroluminescente, écran TV…
Différence entre :
- Source primaire : émettant sa propre lumière
- Source secondaire : objet éclairé renvoyant une partie de la lumière reçue Définition de la lumière :
- aspect ondulatoire : c’est une ensemble d’ondes électromagnétiques se propageant dans les milieux transparents (ex : air, eau, verre…) et aussi dans le vide.
- Aspect corpusculaire : c’est un ensemble de grains de matière ou corpuscules appelés photons qui transportent de l’énergie.
Autres mots de vocabulaire : onde lumineuse, radiation
2) Grandeurs définissant une onde lumineuse :
a) La célérité c :
Vitesse de propagation de l’onde : c’est la distance parcourue par l’onde par unité de temps.
Unité : m/s ou m.s−1
Exemples : lumière dans l’air ou le vide : 3.108 m.s−1 ; dans l’eau : 2,25.108 m.s−1 La célérité d’une onde dépend du milieu dans lequel elle se propage.
b) La fréquence f :
C’est le nombre de fois que l’onde est émise pendant 1 seconde.
Unité : Hertz (Hz)
c) La période T :
C’est la durée entre deux émissions consécutives de l’onde Unité : seconde (s)
d) La longueur d’onde λ (« lambda ») :
C’est la distance parcourue par l’onde pendant une période T d’émission de la source.
Unité : mètre (m)
(cf animation flash)
(Hz) en f et (s) en T f1 T=
(m) en (m/s), en c , (Hz) en f , (s) en T f
c=Tλ =λ λ
Exemple : propagation d’une onde à la surface de l’eau :
surface de l'eau
longueur d'onde λ
longueur d'onde λ
Propagation d’une onde dans différents milieux :
longueur d'onde λeau longueur d'onde λdiamant
La fréquence et la période de l'onde ne changent pas en traversant les différents milieux.
La célérité de l'onde (vitesse de propagation) est plus faible dans l'eau et encore plus faible dans le diamant.
La longueur d'onde λ évolue de la même façon : elle diminue de l'air au diamant.
longueur d'onde λair
AIRgaz EAU
liquide DIAMANT
solide
Propagation de deux ondes dans un même milieu :
radiation rouge longueur d'onde : 750nm
radiation violette longueur d'onde : 400nm
Les deux radiations lumineuses ont la même célérité (vitesse de propagation).
Les longueurs d'onde sont différentes et par conséquent leurs périodes et fréquences sont différentes.
célérité c = longueur d'onde λ période T 400 nm
750 nm
Domaine de longueur d’onde des ondes électromagnétiques :
rayons γ (gamma)
Ils sont émis par les noyaux atomiques d'éléments radioactifs ; très dangereux biologiquement.
Utilisation : en radiothérapie pour détruire les cellules cancéreuses ; stérilisation des objets, aliments ; en scintigraphie.
rayons X
Ils sont émis par des atomes bombardés par des électrons très accélérés. Ces électrons arrachent les électrons des couches profondes des atomes : le rayonnement X provient du réarrangement électronique qui en résulte dans l'atome.
Utilisation : les muscles et la peau sont transparents aux rayons X contrairement aux os qui les absorbent : radiographie.
UV (ultra violet) Ils permettent la synthèse chlorophyllienne, facilitent la synthèse de la vitamine D, servent à stériliser de l'eau ou des appareils chirurgicaux car ils détruisent les bactéries. Ils sont dangereux car ils provoquent des brûlures de la peau (cancer).
IR (infra rouge) Utilisation : télécommande de détecteur de présence ; les photographies IR prises par satellites renseignent les cartographes sur la nature des paysages et le relief.
Mais les IR interviennent dans l'effet de serre car ils réchauffent le sol.
Micro-ondes
Chauffent les isolants, l’eau, les diélectriques mais pas les gaz et les métaux (qui au contraire réfléchissent les ondes électromagnétiques)
Utilisation : four micro ondes pour réchauffer les aliments (l’eau qu’ils contiennent), opération de séchage de matériaux (bois, tabac, textile, béton…), désinsectisation
3) Principes de fonctionnement de différentes lampes : a) définitions :
- flux lumineux : « débit de lumière » provenant de la source , en lumen (lm)
- puissance électrique absorbée : énergie électrique consommée par unité de temps, en watt (W)
- efficacité lumineuse =
absorbée puissance
lumineux
flux , en lm/W , elle représente une sorte de rendement de la source entre ce qu’elle a absorbé en watt et ce qu’elle peut fournir en flux lumineux.
b) cf doc éclairage artificiel :
fonctionnement, durée de vie, flux lumineux, puissance absorbée, efficacité lumineuse de lampe à incandescence, tube fluorescent et lampe à décharge dans un gaz.
Longueur d’onde λλλλ Rayons X
Rayons
gamma Lumière Infrarouge Ondes hertziennes
visible
0,1 nm 10 nm
UV
400 nm 750 nm 1 mm 30 cm 30 m 3 km
Micro-ondes radar télévision Radio (courtes, moyennes et grandes ondes)
4) Spectres d’émission de différentes sources de lumière (naturelles et artificielles) : A l’aide d’un spectroscope, d’un prisme :
- soleil, lumière du jour, lampe à incandescence : spectre polychromatique continu du violet au rouge
- lampe à décharge dans un gaz : spectre polychromatique de raies colorées :
- laser (hélium néon du lycée) : spectre monochromatique (1 raie rouge)
- tube fluorescent : spectre combiné (raies + bandes continues)
Exemple de spectre en fonction de la longueur d’onde : l’énergie lumineuse n’est pas uniforme :
Intensité en fonction de la longueur d’onde de 1000 A angström (=100nm) à 11000 o A (=1100nm) de trois o étoiles hypothétiques :
Energie en fonction de la longueur d’onde pour différentes sources artificielles :
Lampe halogène
Lampe à vapeur de mercure
Tube fluorescent type warm white
5) Température de couleur d’une source de lumière : a) définition :
C’est la température en degré Kelvin du corps noir qui porté à incandescence émettrait la même lumière.
t° (K) = 273 + t° (°C)
b) corps noir :
objet, matière absorbant toutes les radiations lumineuses qu’il reçoit. Si on le chauffe, il émet de la lumière. Exemple de corps noir : un morceau de fer chauffé émet de la lumière : il rougit puis blanchit.
c) Exemples :
- soleil moyen : 6500 °K (à connaître)
- lampe à incandescence : 2600 à 3000 °K (à connaître)
La longueur d’onde λ correspondant au maximum du spectre d’émission d’une source de lumière est inversement proportionnelle à la température de couleur :
Loi de Wien : (à ne pas connaître)
T 10 3
. 898 ,
2 −
=
λmax (T en degré K et λ en m) A savoir :
Donc plus la température de couleur T d’une source de lumière est grande, plus son spectre est riche en radiations de longueur d’onde du « tiers bleu ».
Et plus la température de couleur T d’une source de lumière est faible, plus son spectre est riche en radiations de longueur d’onde du « tiers rouge ».
