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28/10/20 Quatrième

^{Lumière et couleur des} objets

Travailàfàre ^{pour le 04111120}

Chapitre 1 : Lumières colorées et couleurs des objets

Thème 1 : Optique géométrique

M. SIVASUTHASARMA 30 mars 2020

Table des matières

I. D

... 1

0.RAPPELS DE CINQUIEME ... 1

1. DEFINITION DE LA LUMIERE BLANCHE... 1

2. EXPERIENCE DE DECOMPOSITION DE LA LUMIERE BLANCHE ... 1

II. O

... 2

III. S

. ... 3

IV. C

... 3

Protectorat Saint-Joseph Aulnay-Sous-Bois Quatrième Physique-chimie

1

Chapitre 1 : Lumières colorées et couleurs des objets | 30/03/2020

Chapitre 1 : Lumières colorées et couleurs des objets

Thème 1 : Optique géométrique

Comme no l a on en cinquième, la lumière se propage en ligne droite et les sources de lumière peuvent être primaires ou secondaires. Voyons maintenant en quatrième, la constitution de la lumière et comment la lumière peut influencer la couleur des objets.

I. De quoi est constituée une lumière blanche

0. Rappels de cinquième Définitions

Une source primaire de lumière est un corps qui émet la lumière qu elle produit. Exemple : le soleil ; une ampoule.

Une source secondaire de lumière est une source qui diffuse la lumière qu il reçoit de d une source primaire. Exemple : la lune ; le tableau la trousse.

1. Définition de la lumière blanche Définitions

La lumière blanche est une lumière émise par une étoile ou bien une lampe à incandescence.

Un prisme est un objet en verre, en forme de prisme droit, qui est capable de décomposer la lumière qui le traverse.

2. Expérience de décomposition de la lumière blanche

Il faut savoir que lorsque le prisme est travers par une lumi re blanche, on observe sur l cran une image qui s apparente un arc-en-ciel.

Les lumières colorées qui apparaissent l cran proviennent de la lumière blanche qui émane de la lampe à incandescence. On en déduit que la lumière blanche est constitu e de toutes les couleurs de l arc- en-ciel.

Pour simplifier, nous pourrons considérer que la lumière blanche est constituée

uniquement de trois couleurs : rouge, vert et bleu.

R ciproquement, lorsque toutes les lumi res de l arc-en-ciel se rejoignent au même endroit, il se forme une lumière blanche.

Ainsi, le fait que le prisme d compose la lumi re qu il re oit est av r gr ce l e p rience.

xrays

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Remarque

Il faut savoir qu un appareil optique appel r seau est galement capable de r aliser la m me op ration que le prisme. En voici une image :

II. Obtenir une lumière colorée

Certaines sources de lumière sont naturellement colorées comme les lampes à vapeur de sodium qui est orange.

Cependant, la plupart des sources de lumière sont blanches.

Alors comment obtenir une lumière colorée ?

En effet la lumière blanche est facilement disponible avec une simple lampe à incandescence par exemple. On sait par ailleurs grâce à la première partie du cours que cette lumière est constituée de toutes les couleurs de l arc-en-ciel. Donc, en théorie, si on ne laisse passer que certaines couleurs bien choisies, on devrait obtenir une lumière colorée. Pour obtenir une couleur bien spécifique, nous pouvons alors placer des filtres colorés sur le trajet de la lumière. Voici comment procéder :

Regardons par exemple le premier exemple de cette image. Nous avons placé un filtre rouge sur le trajet de la lumière blanche. Le filtre rouge bloque la lumière verte et bleue mais laisse passer le rouge. Ainsi, le filtre rouge permet d obtenir de la lumi re rouge Observons particulièrement le filtre jaune.

Celui-ci ne bloque que la lumière bleu, il diffuse donc le rouge et le vert. Comme le filtre est jaune, on en déduit que la lumière verte additionnée à la lumière verte donne de la lumière jaune.

On applique également un raisonnement analogue pour les filtres cyan et magenta.

On en déduit le fonctionnement de la synthèse additive des lumières.

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III. Synthèse additive de la lumière.

Nous pouvons remarquer ici que l addition des trois couleurs primaires de la synthèse additive (rouge, vert et bleu) permet d obtenir de la lumière blanche.

On en déduit que le bleu, le rouge et le vert suffisent à reconstituer toutes les couleurs de l arc-en-ciel.

Ainsi, tous les écrans, comme ceux des smartphone par exemple ne sont constitués que de trois types de pixels : rouge, vert et bleu.

La r tine de notre il galement est capable de capter uniquement trois couleurs différentes : rouge, vert et bleu.

C est ensuite le cerveau qui reconstitue l image dans le corte visuel situ l arri re du crâne en fonction de la quantité en proportion de lumière reçue par la rétine.

IV. Couleur des objets

La couleur des objets qui nous entoure dépend effectivement, comme vous vous ne doutez, des objets eux- mêmes. Par exemple, une fraise est rouge, le ciel est bleu, les feuilles des arbres sont vertes. Ce qu on sait moins, c est que la couleur des objets d pend galement de la lumi re incidente qu ils re oivent.

En effet un poivron est rouge lorsqu il est clair e en lumi re blanche parce qu il re oit du rouge, du vert et du bleu et parce qu il diffuse seulement le rouge tout en bloquant le vert et le bleu, couleurs qu il absorbe.

Regardons ce qu il se produit lorsque le m me poivron est clair en lumi re color e :

Feuille d’exercices n

2 ^Optique

I Exercice ¹

1. Expliquer ce qu’est le spectre de la lumière blanche.

. . . . . . . . . . . . 2. Avec quoi peut-on décomposer la lumière blanche ? (Citer au moins deux objets)

. . . . . . . . . . . . 3. Compléter la phrase suivante :

Un filtre coloré ... la lumière correspondant à sa couleur et ... les autres lumières colorées.

4. Définir la synthèse additive des couleurs.

. . . . . . . . . . . . 5. Qu’appelle-t-on la distance focale d’une lentille convergente ?

. . . . . . . . . . . .

I Exercice ²

Lorsqu’on observe un écran à la loupe, on constate une succession de points fluorescents de couleur bleu, rouge ou vert.

Chaque pixel de l’écran est lui-même composé de trois sous pixels qui peuvent chacun prendre une couleur verte, bleue ou rouge, les couleurs primaires. Ces sous pixels sont appelées des luminophores. Ils sont si pe- tits que l’oeil humain ne les distingue pas mais perçoit la superposition des lumières qu’ils émettent. En effet, les luminophores s’illuminent de façon plus ou moins intenses et recréent ainsi une gamme très étendue de cou- leurs.

1. Quelles sont les luminophores allumés si l’on veut que le pixel soit :

— blanc ? ...

— bleu ? ...

— jaune ? ...

— noir ? ...

2. Monsieur P. possède un téléviseur défectueux : les luminophores bleus ne fonctionnent plus et restent toujours éteints.

Il regarde à la télé le match de rugby Toulouse - Montferrand. Comment voit-il :

— les shorts blancs de l’équipe de Toulouse ? ...

— les maillots jaune et bleu de l’équipe de Montferrand ? ...

— la pelouse du stade ? ...

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 1/1

Enoncé du TD - Optique - Protectorat Saint-Joseph - Quatrième

La lumière blanche ^est constituée de toutes les couleurs de l' arc-en-ciel

^c'est

qu'

appelle ^le spectre ^{de la lumière blanche}

On

peut décomposer ^{la lumière blanche}

prisme

diffuse bloque

La _couleurs synthèse _de additive des _l' arc-en-ciel couleurs peuvent repose ^être

^obtenues le principe

selon

lequel

^toutes astucieusement ^les

les

couleurs primaires ^{de la} synthèse

_rouge

^bleu

bleu

_rouge

^vert

blutage ^{et vert}

aucune

couleur

les shorts réponses

^jaune

verts fonctionnent taganË ^fiIs

Lnedfohif.fm?enrepa?rles

la partie jaune ^{reste jaune parce que}

ÎÈfwMÜ

Fîtes ^{'iËü:: aimant}

I Exercice ³

Un projecteur de diapositives est un instrument d’optique qui permet de visionner des diapositives par projection de l’image sur une surface blanche de grande taille (mur, écran). L’image est obtenue grâce à une lentille convergente.

1. Il existe deux types de lentilles : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes. Proposer une méthode simple pour les distinguer.

. . . . . . . . . . . . 2. On cherche à déterminer la distance focale d’une lentille convergente. Dans la liste du matériel suivante, cocher le

matériel nécessaire :

⇤ une lentille convergente

⇤ une lentille divergente

⇤ ^{un filtre}

⇤ ^{un prisme}

⇤ une source de lumière éloignée

⇤ une source de lumière proche

⇤ ^{une règle}

⇤ ^{un réseau}

⇤ ^{un écran}

3. Décrire le protocole à suivre pour déterminer la distance focale d’une lentille convergente. Faire un dessin faisant apparaître les rayons lumineux, le foyer et la distance focale.

. . . . . . . . . . . .

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 2/1

I Exercice ⁴

Voici le schéma d’une lentille convergente dedistance focale1,5 cm. On se propose dans cet exercice d’étudier la construc-

tion géométrique d’un objet à travers cette lentille.

2) deuxième partie : image d n objet à travers une lentille

Animation : http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/lentilles/lentille_mince.html

Ce e a i a i i e a c c i de i age d b e A

B

à travers une lentille.

CcOoNnSsTtRr CcTtIiOoNn DdEe Ll IiMmAaGgEe Dd Nn OoBbJjEeTt TtRrAa EeRrSs NnEe LlEeNnTtIiLlLlEe CcOoNn EeRrGgEeNnTtEe : 1. Que devient un rayon lumineux passant par le centre optique O de la lentille ?

2. Comment émerge un rayon lumineux incident parallèle à l'axe optique de la lentille?

3. Comment émerge un rayon lumineux incident passant par le point F (foyer objet) de la lentille ?

Sacha e i age d b e e e dic ai e a e i e e a i e e dic ai e a e i e, e i i a les réponses précédentes vous allez ace e i , O, F, F , A

, B

puis vous allez c i e i age A

B

de

b e A

B

dans les trois cas proposés ci-dessous :

Cas n°1 : 𝐹′ = 1,5 cm, 𝐴 = - 4 cm et 𝐴 𝐵 = 6 mm

1cm

Réglage de la distance focale Pour déplacer

b e , fai e

« glisser » B

Curseur à droite : lentille convergente Curseur à gauche : lentille divergente

1. Placer le foyer F’ situé à une distance de 1,5 cm après la lentille.

2. Placer l’objet AB (haut de 1 cm) perpendiculairement à l’axe optique avec A appartenant à l’axe optique de telle façon qu’il soit situé à une distance de 4 cm avant la lentille.

3. Tracer les rayons lumineux issus du point B de l’objet AB de façon à construire géométriquement l’image A’B’ à travers la lentille.

4. A quelle distance se trouve l’image A’B’ par rapport à la lentille ?

. . . . . . . . . . . . 5. L’image A’B’ est-elle agrandie par rapport à l’objet AB ?

. . . .

I Exercice ⁵

Complétez les légendes.

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 3/1

I Exercice ⁶

1. L’image d’un objet observé se forme sur la ... qui joue le rôle d’écran.

2. Le ... transporte au cerveau les signaux en provenance de la rétine.

3. La ... est un défaut de la vision qui oblige à placer l’objet observé près de l’œil pour le distinguer. On le corrige en utilisant une lentille ... .

4. L’ ... est un défaut de la vision que l’on corrige avec une lentille convergente.

I Exercice ⁷

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Exercices sur le chapitre 3 : l ’œil

Exercice 3 Exercice 2 Exercice 1

Exercice 4

Exercice 6 Exercice 5

1. Chacun de ces yeux possède un défaut de vision. Lequel ?

. . . . . . . . . . . . . . . . 2. Comment peut-on corriger ces défauts ?

. . . . . . . . . . . . . . . . 3. Tracer sur le schéma ci-dessous la lentille choisie pour corriger la myopie et les rayons lumineux issus d’un objet très

éloigné afin que l’œil puisse voir normalement.

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 4/1

I Exercice ⁸

Le Soleil est situé à 1,50£10¹¹m de la Terre. Calcule, en minutes, la durée mise par la lumière du Soleil pour nous parvenir.

On prendrav=c=3£10⁸m/s.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I Exercice 9

Pour déterminer la distance entre la Terre et la Lune, des astronautes ont déposé des miroirs sur la Lune. De la Terre, on envoie un faisceau laser sur l’un de ces miroirs. On mesure alors la durée mis par ce faisceau pour aller sur la Lune et revenir sur Terre.

1. Schématise la Terre, la Lune et le trajet du faisceau laser.

2. Le faisceau revient 2,56 secondes après son émission. Calcule la distance (en km) de la Terre à la Lune. On prendra v=c=3£10⁸m/s.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 5/1

(

I Exercice ¹⁰

(a) Pourquoi, lors d’un orage, voit-on l’éclair avant de percevoir le son du coup de tonnerre ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (b) La foudre tombe à 6 km d’un observateur. On donne la vitesse de la lumière : 300 000 km/s. Quelle est le durée mis

par la lumière émise par l’éclair pour atteindre l’observateur ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (c) Le son a une vitesse de propagation de 340 m/s. Quelle durée mettra le bruit du tonnerre pour arriver à l’observa-

teur ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (d) Comparer ces deux temps. En déduire une méthode pour déterminer approximativement à quelle distance la

foudre tombe d’un observateur.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 6/1

I Exercice ¹¹

(a) L’année-lumière (symbole : a.l.) est une unité de distance qui correspond à la distance parcourue par la lumière en une année. Donner la valeur de cette distance en mètre.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (b) Quel est l’intérêt d’avoir introduit cette distance en astronomie ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (c) La plus proche étoile est Proxima du Centaure située à un peu plus de 4 années lumière. Si on pouvait voyager au dixième de la vitesse de la lumière, on pourrait facilement visiter toutes les planètes du système Solaire. Mais combien de temps durerait alors, le voyage vers cette étoile ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. La distance Terre-Pluton est d’environ 6 milliard de kilomètre. Si on envoie un message à la sonde lorsqu’elle se trouve à proximité de Pluton, combien de temps devra-t-on attendre avant d’avoir une réponse ? Les messages radio se dé- placent à la vitesse de la lumière.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Notre-Dame des Oiseaux Mathématiques [5^e] feuilles-optique 7/1

j¥¥ ^Lentille

.