FICHE DE RÉVISION – Lumière, Propagation et Spectres
(Niveau : Seconde)
Lumière, Propagation et Spectres
Comprendre comment la lumière voyage, sa vitesse record, et ce que cache la lumière blanche (spectres, longueurs d’onde).
Partie 1 : Propagation de la Lumière
La lumière est ce qui nous permet de voir le monde. On la modélise de façon simple pour comprendre son trajet.
1. Propagation Rectiligne
Dans un milieu transparent et homogène (comme l’air, l’eau ou le vide), la lumière se propage en ligne droite. C’est le principe de propagation rectiligne.
2. Modèle du Rayon Lumineux
Pour représenter le trajet de la lumière, on utilise le modèle du rayon lumineux : une droite avec une flèche qui indique le sens de propagation.
La formation d’une image (inversée) dans une « chambre noire » (sténopé) est la preuve de la propagation rectiligne de la lumière. Les rayons issus du haut de l’objet arrivent en bas de l’écran, et vice-versa.
Partie 2 : Vitesse de Propagation (Célérité)
La lumière ne se déplace pas instantanément (même si elle est très rapide). Sa vitesse est la plus élevée possible dans l’univers.
La vitesse de la lumière dans le vide (et par approximation, dans l’air) est notée \(c\) (pour « célérité »).
Valeur à retenir : $$ c \approx 300 000 000 \text{ m/s} = 3,00 \times 10^8 \text{ m/s} $$ (soit 300 000 km/s).
Comparaison :
C’est des millions de fois plus rapide que le son (qui voyage à \(\approx 340 \text{ m/s}\) dans l’air). C’est pourquoi on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre.
Partie 3 : Lumière Blanche et Dispersion
Lumière Blanche : La lumière du Soleil ou d’une lampe à incandescence est polychromatique (« plusieurs couleurs »). Elle est composée d’une infinité de lumières colorées.
Lumière Colorée : Une lumière qui ne peut pas être décomposée (ex: un laser) est dite monochromatique (« une seule couleur »).
Dispersion : C’est le phénomène de séparation des différentes couleurs de la lumière blanche. On l’obtient avec un prisme ou un réseau (un CD-ROM fonctionne comme un réseau !).
La figure obtenue s’appelle le spectre de la lumière blanche (c’est un arc-en-ciel).
Un prisme décompose la lumière blanche car chaque couleur est déviée avec un angle légèrement différent. Le violet est plus dévié que le rouge.
Partie 4 : Spectres d’Émission
Chaque source de lumière possède une « signature » lumineuse : son spectre d’émission.
1. Spectre Continu (d’origine thermique)
- Source : Un corps chaud et dense (un solide, un liquide, ou un gaz à haute pression).
- Apparence : Un « tapis » continu de couleurs, comme un arc-en-ciel.
- Exemples : Filament d’une ampoule, surface du Soleil, métal chauffé à blanc.
- Info : Plus le corps est chaud, plus le spectre s’enrichit vers le bleu/violet.
2. Spectre de Raies
- Source : Un gaz chaud à basse pression (ex: un néon, une lampe à vapeur de sodium).
- Apparence : Un fond noir avec seulement quelques lignes (raies) colorées.
- Info : Chaque élément chimique (Hydrogène, Sodium, Mercure…) a son propre spectre de raies. C’est sa carte d’identité.
En analysant le spectre de raies d’une étoile lointaine, on peut savoir exactement de quels gaz elle est composée.
Partie 5 : Longueur d’Onde (\(\lambda\))
Chaque lumière monochromatique (chaque couleur) est une onde qui vibre. On la caractérise par sa longueur d’onde, notée \(\lambda\) (lambda).
L’unité est le nanomètre (nm). \(1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}\).
Domaine Visible : L’œil humain ne voit que les longueurs d’onde comprises environ entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).
- \(\lambda < 400 \text{ nm}\) : Ultraviolets (UV) (invisibles, dangereux).
- \(\lambda > 800 \text{ nm}\) : Infrarouges (IR) (invisibles, chaleur).
Un spectre de raies est caractérisé par les longueurs d’onde précises de ses raies.
Le spectre de raies du Sodium (Na) est célèbre pour sa raie double (très proche) de couleur jaune-orangé à \(\lambda = 589 \text{ nm}\).
Partie 6 : Entraînement (Exercices)
- Exercice 1 (Vitesse) : La lumière du Soleil met \(\Delta t = 8 \text{ minutes et } 20 \text{ secondes}\) pour atteindre la Terre. Calculer la distance Terre-Soleil en kilomètres. (On prendra \(c = 300 000 \text{ km/s}\)).
-
Exercice 2 (Spectres) :
a) On observe le spectre de la lumière émise par une lampe à vapeur de Mercure. On voit un fond noir avec 4 raies colorées (violet, bleu, vert, jaune). Comment s’appelle ce type de spectre ?
b) On observe le spectre de la lumière émise par le filament chauffé d’une ampoule. On voit un dégradé de couleurs allant du rouge au violet. Comment s’appelle ce type de spectre ? -
Exercice 3 (Longueur d’onde) : On compare trois rayonnements :
R1 : \(\lambda_1 = 450 \text{ nm}\)
R2 : \(\lambda_2 = 550 \text{ nm}\)
R3 : \(\lambda_3 = 900 \text{ nm}\)
Lesquels sont visibles par l’œil humain ? Lequel est infrarouge ?
Partie 7 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Vitesse)
1. Convertir le temps en secondes :
\(\Delta t = (8 \text{ min} \times 60 \text{ s/min}) + 20 \text{ s} = 480 \text{ s} + 20 \text{ s} = 500 \text{ s}\).
2. Calculer la distance :
On utilise la formule \(d = v \times t\) (ou \(d = c \times \Delta t\)).
\(d = 300 000 \text{ km/s} \times 500 \text{ s} = 150 000 000 \text{ km}\).
La distance Terre-Soleil est de 150 millions de kilomètres (aussi appelée 1 Unité Astronomique, UA).
Correction Exercice 2 (Spectres)
a) Un fond noir avec des raies colorées est un spectre de raies d’émission. C’est la signature d’un gaz chaud à basse pression.
b) Un dégradé continu de couleurs est un spectre continu d’origine thermique. C’est la signature d’un corps chaud et dense (le filament solide).
Correction Exercice 3 (Longueur d’onde)
Le domaine visible est [400 nm ; 800 nm].
R1 (\(450 \text{ nm}\)) est dans l’intervalle : Visible (couleur bleue/violette).
R2 (\(550 \text{ nm}\)) est dans l’intervalle : Visible (couleur verte/jaune).
R3 (\(900 \text{ nm}\)) est supérieur à 800 nm : Infrarouge (IR) (invisible).
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