5ᵉ · Physique-Chimie · Ondes & signaux
Une source primaire produit sa propre lumière : le Soleil, une étoile, une lampe, une flamme, un écran. Un objet diffusant ne produit pas de lumière, il ne fait que renvoyer la lumière qu'il reçoit : un mur, cette page, et surtout la Lune (elle renvoie la lumière du Soleil).
Dans un milieu transparent (air, eau, verre) et homogène, la lumière se propage en ligne droite : c'est la propagation rectiligne. C'est pour cela qu'on ne voit pas derrière un mur !
Pour représenter le trajet de la lumière, on trace un rayon lumineux : un trait droit fléché qui indique le sens de propagation. Un ensemble de rayons forme un faisceau.
Quand un objet opaque (qui ne laisse pas passer la lumière) est éclairé :
• l'ombre propre est la partie sombre de l'objet lui-même (le côté non éclairé) ;
• l'ombre portée est la zone sombre projetée derrière l'objet, sur un écran ou le sol.
Avec une source étendue (large), il apparaît en plus une zone en demi-teinte, la pénombre : elle reçoit la lumière d'une partie seulement de la source.
La lumière se déplace extrêmement vite. Dans le vide (et à peu près dans l'air), sa vitesse vaut environ :
Rien ne va plus vite. La lumière du Soleil met environ 8 minutes à nous parvenir.
La Terre tourne sur elle-même en 24 h : le côté éclairé par le Soleil vit le jour, l'autre côté la nuit.
La Lune ne brille pas d'elle-même : selon sa position autour de la Terre, on voit une part plus ou moins grande de sa face éclairée. C'est ce qui donne les phases de la Lune (nouvelle Lune, premier quartier, pleine Lune…).
Une éclipse arrive quand trois astres sont alignés :
• éclipse de Soleil : la Lune passe entre le Soleil et la Terre et cache le Soleil ;
• éclipse de Lune : la Terre passe entre le Soleil et la Lune, et son ombre tombe sur la Lune.
Avant la théorie, voyons à quoi sert ce chapitre. La lumière, c'est ce qui nous permet de voir : sans elle, le monde serait noir. Mais elle fait bien plus.
Quand tu marches au soleil, ton ombre te suit sur le sol : c'est parce que la lumière va tout droit et que ton corps l'arrête. Le soir, les enfants s'amusent à faire des ombres chinoises sur le mur avec leurs mains. Et très haut dans le ciel, la même règle explique les plus grands spectacles : les phases de la Lune, et les éclipses, quand le Soleil disparaît en plein jour.
Comprendre la lumière, c'est donc à la fois comprendre pourquoi on voit, comment naissent les ombres, et ce qui se passe entre le Soleil, la Terre et la Lune.
Commençons par le vocabulaire. Certaines choses produisent leur propre lumière : le Soleil, une étoile, une lampe, une flamme, l'écran d'un téléphone. On les appelle des sources primaires.
D'autres objets ne produisent aucune lumière, mais renvoient celle qu'ils reçoivent : un mur, cette page, un miroir, et surtout la Lune. Oui, la Lune ne brille pas toute seule : elle nous renvoie la lumière du Soleil. Ces objets sont dits diffusants.
C'est d'ailleurs parce que les objets qui nous entourent diffusent la lumière qu'on peut les voir. Retiens la distinction : une source primaire fabrique la lumière, un objet diffusant se contente de la renvoyer.
Voici la règle la plus importante du chapitre. Dans un milieu transparent, comme l'air, l'eau ou le verre, et à condition qu'il soit partout le même, on dit homogène, la lumière se propage en ligne droite. C'est la propagation rectiligne.
Pour le vérifier, il suffit d'observer un rayon de soleil dans la poussière, ou le faisceau d'une lampe torche dans le brouillard : c'est toujours un trait bien droit. Pour représenter ce trajet sur un schéma, on trace un rayon lumineux : un trait droit avec une flèche qui montre le sens dans lequel la lumière avance. Plusieurs rayons regroupés forment un faisceau.
C'est parce que la lumière va tout droit, et ne contourne pas les obstacles, qu'on ne voit pas ce qui est caché derrière un mur.
Puisque la lumière va tout droit, que se passe-t-il quand elle rencontre un objet opaque, c'est-à-dire un objet qui ne la laisse pas passer ? La lumière est arrêtée, et il se forme de l'ombre. On distingue deux ombres.
La partie de l'objet qui n'est pas éclairée, son côté sombre, s'appelle l'ombre propre. Et la zone sombre projetée derrière l'objet, sur le sol ou sur un écran, s'appelle l'ombre portée. C'est ton ombre par terre au soleil.
Un cas plus subtil apparaît avec une source large, dite étendue, comme une grande lampe. Autour de la zone complètement noire, il se forme une zone en demi-teinte, ni tout à fait éclairée ni tout à fait sombre : elle ne reçoit la lumière que d'une partie de la source. On l'appelle la pénombre.
La lumière semble arriver instantanément quand on allume une lampe. En réalité, elle se déplace à une vitesse énorme mais bien finie. Dans le vide, et à peu près dans l'air, elle parcourt environ trois cent mille kilomètres chaque seconde.
C'est la plus grande vitesse qui existe : rien ne va plus vite que la lumière. Pour donner une idée, elle pourrait faire plus de sept fois le tour de la Terre en une seule seconde. La lumière du Soleil, elle, met environ huit minutes à nous atteindre.
Et celle de certaines étoiles voyage pendant des années avant d'arriver : quand tu regardes le ciel, tu vois parfois des étoiles telles qu'elles étaient il y a très longtemps.
Terminons par le ciel, où la lumière et les ombres écrivent les plus grands spectacles. La Terre tourne sur elle-même en vingt-quatre heures. La moitié tournée vers le Soleil est éclairée : c'est le jour.
L'autre moitié est dans l'ombre : c'est la nuit. La Lune, elle, ne brille pas d'elle-même : elle renvoie la lumière du Soleil. Selon l'endroit où elle se trouve autour de la Terre, on voit une part plus ou moins grande de sa face éclairée : c'est ce qui donne les phases, de la nouvelle Lune à la pleine Lune.
Enfin, quand le Soleil, la Terre et la Lune sont parfaitement alignés, une ombre se projette sur un astre : c'est une éclipse. Si la Lune se glisse entre le Soleil et nous et cache le Soleil, c'est une éclipse de Soleil. Si c'est la Terre qui projette son ombre sur la Lune, c'est une éclipse de Lune.
12 des 31 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.