Qu'est-ce que la lumière ?

Nature de la lumière

La lumière est un phénomène qui se propage depuis les sources de lumière, lampes, étoiles, flammes, jusqu'aux récepteurs de lumière, oeil, plaque photographique, caméra vidéo, plaque CCD.
Une source de lumière transforme une forme d'énergie qui l'alimente, (électrique, chimique, thermique) en énergie lumineuse. La lumière transporte cette énergie jusqu'au récepteur.
Un récepteur est un système qui transforme l'énergie lumineuse qu'il reçoit en une autre forme d'énergie (électrique, chimique, thermique).
Par exemple, une lampe électrique transforme une partie de l'énergie électrique qu'elle reçoit en énergie lumineuse. Une photopile, transforme une partie de l'énergie lumineuse reçue en énergie électrique. L'oeil la transforme en influx nerveux etc.


La transparence

Les substances transparentes permettent la propagation de la lumière. La transparence d'une substance dépend de la "couleur" (la longueur d'onde) de la lumière. Par exemple, le verre ordinaire est transparent pour la lumière visible, mais est opaque pour les rayons infra-rouges.
La transparence d'une substance n'est jamais parfaite. La lumière est toujours atténuées lors de la traversée de la substance transparente et parfois diffusée dans d'autres directions.

Comment la lumière se propage t'elle?

On peut décrire la propagation de la lumière dans un milieu transparent de deux manières différentes et complémentaires; soit en terme de propagation d'une onde lumineuse soit en terme de rayons lumineux.

Description en terme d'ondes lumineuses

Depuis la source, si le milieu de propagation est homogène la lumière se propage dans toutes les directions sous forme d'une onde lumineuse sphérique .

 
On peut se représenter la propagation de la lumière depuis une source lumineuse par l'analogie de la propagation d'onde à la surface de l'eau
onde sur une cuve

 

En chaque point où l'onde passe, la direction de propagation est perpendiculaire au front d'onde.
Pour en savoir plus sur la propagation par ondes.
Si le mileu n'est pas homogène, (changement de milieu, changement d'indice de réfraction, obstacle etc.) la forme du front d'onde est déformée donc la direction de propagation change.

Ainsi, une onde lumineuse traversant la frontière entre deux milieux où la vitesse de propagation n'est pas la même, se verra déviée dans sa direction de propagation. C'est le phénomène de réfraction; voir à ce sujet la simulation du phénomène de réfraction.

Vitesse de propagation des ondes lumineuses
Dans le vide, la vitesse de propagation des ondes lumineuses est de c=299 792 km/s (soit à peu près 300 000 km/s)
Dans un milieu transparent, la vitesse de la lumière dépend de la nature de ce milieu et de la couleur de la lumière. Elle est toujours plus faible que dans le vide

Indice de réfraction

On appelle indice de réfraction d'une substance transparente le rapport n = c/v ou c est la vitesse de propagation dans le vide et v la vitesse de propagation dans la substance.
Les indices de réfraction sont toujours plus grand que 1: la lumière se propage toujours moins vite dans un milieu transparent que dans le vide; plus l'indice de réfraction est grand, plus la vitesse de propagation de la lumière est petite dans ce milieu.
En lunetterie, on augmente l'indice de réfraction des verres afin de diminuer leurs courbures et leurs épaisseurs, tout en maintenant la même déviation de la lumière et par conséquent la même correction visuelle..
L'indice de réfraction d'une substance dépend de la couleur de la lumière. Ce qui explique les phénomènes d'irisation (dispersion). Pour diminuer ces phénomènes, gênants pour la vision, les verriers modifient la composition de la matière des lentilles, ce qui fait varier leur constringence (pouvoir dispersif ).


Indice de réfraction du verre ordinaire selon la couleur de la lumière

Couleur longueur d'onde
dans le vide (en µm)		 fréquence
(en 10 13 Hz)		 Indice n Vitesse de propagation
(en km/s)
Ultraviolet proche
0,361
83,0
1,539
194 797
Bleu sombre
0,434
69,2
1,528
196 198
Bleu-vert
0,486
61,8
1,523
196 840
Jaune
0,589
51,0
1,517
197 621
Rouge moyen
0,656
45,7
1,514
198 013
Rouge sombre
0,768
39,1
1,511
198 406
 
Dans le verre la lumière bleue se propage moins vite que la lumière rouge.

Selon leur forme, certains objets transparents peuvent changer la forme des ondes lumineuses.
Par exemple, une lentille de verre ayant deux faces en forme de calotte sphérique peut transformer une onde sphérique en onde plane
  Effet d'une lentille sur une onde sphérique  

 

Description de la propagation de la lumière en termes de rayons lumineux

On peut représenter la propagation de la lumière en traçant la direction de propagation des ondes; donc en traçant des rayons perpendiculaires aux fronts d'onde.
Une onde sphérique sera représentées par des rayons divergents issus d'un point, centre des fronts d'onde, une onde plane par des rayons parallèles.
   
     
Au passage de la frontière entre deux milieux d'indice de réfraction différents (un dioptre), la direction des rayons sera changée s'ils ne sont pas perpendiculaires à cette frontière. Visualisation de la réfraction

La loi de Snell-Descartes indique la relation entre l'angle du rayon incident et celui du rayon réfracté
loi de Descartes Snell

 

Théorème de Fermat; notion de chemin optique

Les rayons lumineux suivent le chemin le plus court en durée de trajet pour aller d'un point à un autre.
Conséquence:
Si des rayons divergent à partir d'un point, puis convergent vers un autre point, c'est que la durée du chemin effectué le long de tous les rayons lumineux est le même.
Dans la formation d'une image d'un point par une lentille, les trajets AFLA', AL'F'A' et AOA' ont la même durée de parcours, le même chemin optique. Le trajet qui passe par O est plus court géométriquement mais ce rayon traverse une épaisseur de verre plus grande où la lumière se propage plus lentement.


 

Que fait la lumière lorsqu'elle rencontre un objet?

L'objet peut être:

 

transparent:
il laisse passer la lumière. Le trajet de celle-ci sera éventuellement dévié; par exemple, un objet en verre. 
opaque diffusant:
la lumière est réémise dans toutes les directions; c'est le cas le plus général. Quelques fois, l'objet absorbe toutes les couleurs et ne diffuse que quelques couleurs particulières. Pour plus d'explications: Pourquoi les objets sont-ils vus en couleur?. 
opaque réfléchissant:
la lumière est renvoyée dans une direction particulière. L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. C'est le cas des miroirs. 
opaque absorbant:
la lumière est absorbée par l'objet. L'énergie transportée par l'onde lumineuse est transformée en d'autres sortes d'énergie (thermique, électrique...) 

 

Ce sont des propriétés limites; un objet transparent est toujours un peu diffusant et absorbant. Un objet réfléchissant diffuse un peu...
De plus, ces propriétés peuvent dépendre de la couleur de la lumière, de l'angle sous lequel la lumière frappe l'objet etc.

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