Ce n'est pas la lumière qui manque à notre regard, c'est notre regard qui manque de lumière.

Gustave Thibon

♦️ La lumière est une forme d'énergie électromagnétique visible par l'œil humain. Elle se propage sous forme de particules appelées photons et présente des caractéristiques ondulatoires, comme la longueur d'onde et la fréquence.

La vitesse de la lumière est de

299 792 458 m / s

ou 299 297 456,2 km/s.

♦️ Les longueurs d'onde sont les distances entre les crêtes successives ou les creux d'une onde électromagnétique, y compris la lumière. Elles déterminent la couleur de la lumière visible et sont mesurées en unités telles que les nanomètres (nm) ou les micromètres (µm).

Les longueurs d'onde plus courtes correspondent à des couleurs plus énergétiques, tandis que les longueurs d'onde plus longues correspondent à des couleurs moins énergétiques.

TermeDescription
LumièreForme d'énergie électromagnétique visible par l'œil humain.
Longueurs d'ondeDistances entre les crêtes ou les creux d'une onde électromagnétique, déterminant la couleur de la lumière. Plus courte = plus énergétique, plus longue = moins énergétique. Mesurées en nm (nanomètres) ou µm (micromètres).
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C'est parti

Qu’est-ce que la lumière ? 🔅

La lumière est une onde 🔦

Des reflets de lumière jaune.
La lumière a largement plus d'influence qu'on peut parfois l'imaginer !

🌕 On l'aura compris, la lumière est une onde électromagnétique. La présence de particules chargées comme les électrons et les protons dans la matière induit un champ électrique.

Par le déplacement des particules, le courant électrique généré crée un champ magnétique. C’est ce qu’on observe sur Terre avec le champ magnétique terrestre qui oriente les boussoles.

Si on crée une petite perturbation de ce champ, par exemple en faisant vibrer des particules chargées, alors la perturbation se propage. C’est cette propagation qu’on nomme “onde”.

🧭 La lumière est une perturbation du champ électro-magnétique qui se déplace. Elle peut donc se déplacer dans le vide dans lequel existe aussi un champ électro-magnétique.

D’autres ondes ont besoin d'un support matériel comme le son qui se déplace dans l'air ou les vagues à la surface de l'eau. La lumière est classée parmi les ondes électro-magnétiques.

Cela dit, il en existe plusieurs autres types. Vous les connaissez certainement également, ce sont :

Les rayons X

Les ondes radios

Les rayons Gamma

highlight
Qu'est-ce qu'un rayon Gamma ?

Un rayon gamma est une forme de rayonnement électromagnétique extrêmement énergétique produite par des processus nucléaires. Ils sont très pénétrants et ont des applications en science, en médecine (radiothérapie), et en recherche. Les rayons gamma peuvent être dangereux pour les organismes vivants en raison de leur haute énergie.

Caractéristiques d’une onde lumineuse 💡

Comme tous les phénomènes périodiques, la lumière est caractérisée par une fréquence (notée avec la lettre grecque ν prononcée nu), mais aussi par sa période (T) et sa longueur d'onde (λ).

🔹 Il existe une relation entre ces trois grandeurs :

  • Relation entre période et fréquence : ν = 1 / T
  • Relation entre période et longueur d'onde : λ = c × T, où c est la célérité ou vitesse de déplacement d'une onde électromagnétique et dépend du milieu dans lequel elle se propage.

Dans le vide, c vaut 3.108 m.s-1 Il suffit donc de connaître l'une de ces trois grandeurs pour pouvoir déterminer les autres.

Les interactions de la lumière avec la matière 🪞

🏵 La lumière interagit beaucoup avec la matière. Elle peut être :

  • Absorbée : La lumière est capturée par la matière et sa conversion en énergie thermique ou chimique peut se produire.
  • Réfléchie : La lumière rebondit à la surface de la matière sans la pénétrer, nous permettant de voir les objets.
  • Déviée : La trajectoire de la lumière est modifiée.
  • Émise par la matière : La matière émet de la lumière, souvent après avoir absorbé de l'énergie, comme dans le cas de la fluorescence ou de la phosphorescence.
Une source lumineuse similaire au soleil.
La lumière et ses richesses !

Absorption de la lumière 🕯

⬛️ Un corps qui paraît noir même quand on l'éclaire absorbe toute la lumière qui lui parvient, il n'en émet aucune, donc il paraît noir.

Exemples ➡️

  1. Une chemise noire : Si vous portez une chemise noire, le tissu absorbera la plupart des couleurs de la lumière visible, ce qui la rendra noire.
  2. Un trou noir : Les trous noirs dans l'espace sont tellement massifs que même la lumière ne peut pas s'échapper de leur champ gravitationnel, d'où leur nom. Ils absorbent toute la lumière incidente.
  3. Un morceau de charbon : Le charbon, lorsqu'il est brûlé, produit de la suie noire, qui est un matériau absorbant la lumière.
  4. Un écran de télévision éteint : Les écrans de télévision à cristaux liquides (LCD) ou à plasma semblent noirs lorsque l'image est éteinte, car les pixels ne laissent pas passer la lumière.
  5. Un trou : Si vous observez un trou dans l'obscurité, il semblera noir car il ne réfléchit pas la lumière vers vos yeux.

➡️ L'absorption de la lumière est un phénomène optique au cours duquel l'énergie lumineuse ou électromagnétique est absorbée par une substance quelconque.

🔥 Habituellement, l'énergie lumineuse est transformée en énergie thermique lors de ce phénomène. C’est pourquoi un corps noir, qui absorbe toute la lumière va avoir tendance à chauffer. En revanche, un corps blanc n’absorbe aucune lumière et donc reste à la même température.

Réflexion de la lumière 🌟

La lumière du soleil entre les arbres d'une forêt.
La réflexion de la lumière est un phénomène passionnant !

Un miroir réfléchit la lumière : il renvoie votre propre image. Lorsqu’un rayon de lumière rencontre un objet, il rebondit sur l'objet : on dit que le rayon lumineux est réfléchi.

🪞Si la réflexion se fait sur une surface plane, il est possible de prévoir la trajectoire de la lumière après le rebond. En revanche, après réflexion sur une surface non plane, la lumière est diffusée dans toutes les directions.

Ce phénomène est également utilisé pour voir à l’extérieur de notre champ de vision : rétroviseurs des automobiles, périscopes des sous-marins.

Déviation de la lumière ❄️

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent. Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre, elle est déviée : c’est exactement ce qu’il se passe lorsqu’on regarde dans l’eau.

On parle alors de réfraction de la lumière : la réfraction de la lumière est le changement de direction de propagation que subit un rayon lumineux lorsqu’il traverse la surface de séparation entre deux milieux de propagation.

Si le milieu traversé n’est pas homogène, alors la lumière ne se propage plus en ligne droite : c’est ce qu’on observe avec les mirages.

Emission de lumière 🔆

Deux mains tiennent une ampoule allumées
Comment la lumière est-elle émise ?

Le filament d'une ampoule émet de la lumière lorsque le courant électrique le traverse. En effet, lorsque les atomes d’un corps absorbent de l’énergie, sous forme électrique dans notre exemple, alors les atomes sont dans un état dit “excité”.

💡Pour revenir à leur état dit “fondamental”, les atomes libèrent le surplus d’énergie sous forme de chaleur et de radiations lumineuses.

Un objet chaud émet aussi de la lumière. En effet, ses particules sont agitées et ce mouvement incessant crée des perturbations du champ électro-magnétique. Donc de la lumière.

Si on ne la voit pas c'est qu'il s'agit de l'infra-rouge. Mais il est important de savoir que tout objet chaud crée de la lumière.

Phénomène de fluorescence 🟡

La lumière visible peut interagir avec les atomes, et plus particulièrement les électrons des atomes ou des molécules.

Elle peut leur communiquer de l'énergie lorsqu'elle arrive sur un atome. Les atomes peuvent quant à eux se débarrasser d'un trop plein d'énergie en émettant de la lumière.

➡️ C'est ce qui explique le fonctionnement des lasers ou encore la fluorescence, la couleur des objets...

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La découverte de la fluorescence

Thomas Edison, célèbre pour l'invention de l'ampoule électrique, a initialement découvert que l'électricité dans un gaz à l'intérieur d'une ampoule provoquait de la lumière. Cependant, il n'a pas poursuivi cette idée. Plus tard, en 1938, un physicien allemand a utilisé ce concept pour créer la première lampe fluorescente, où un gaz excité émet de la lumière visible. Bien qu'Edison n'ait pas inventé la lumière fluorescente, ses premières expériences ont contribué à son développement, faisant des lampes fluorescentes une alternative économe en énergie et à longue durée de vie.

La lumière est aussi composée de particules 🛋

🟢 Pour finir, il faut savoir que la lumière n'est pas seulement une onde. En fait, elle est composée de particules appelées photons. Chaque photon a une couleur précise. Et chaque photon est un peu plus qu'une particule, puisqu'il se comporte comme une onde.

Donc un "troupeau" de photon se comporte comme une onde. Ainsi la lumière présente toutes les propriétés d'une onde, et notamment les propriétés d'interférence et de diffraction, bien qu'elle soit composée de particules. C’est ce qu’on appelle des quanta de lumière.

Domaine de longueur d'onde de la lumière visible 🪔

Comment utiliser le prisme pour décomposer la lumière ?
Un triangle de verre décompose la lumière blanche en raies de différentes couleurs.

Décomposition de la lumière blanche 🌞

🔳 On appelle lumière blanche la lumière émise par le Soleil ou la lumière émise par certaines lampes. Un prisme de verre (bloc constitué d’une autre matière transparente ayant une base triangulaire) décompose la lumière blanche d’une lampe à incandescence.

Ces lumières sont initialement présentes dans la lumière blanche. Le prisme ne fait que séparer ces lumières et fait apparaître le spectre des couleurs du visible. Le spectre coloré obtenu est un spectre continu passant par toutes les couleurs visibles à l’œil :

  • Rouge
  • Orange
  • Jaune
  • Vert
  • Bleu
  • Indigo
  • Violet

D’autres spectres sont discontinus, comme par exemple celui émis par une lampe basse consommation.

Le spectre de la lumière 🏮

Des lampions allumés dans la nuit.
La lumière se trouve partout où nous nous trouvons !

🌈 Ce qu’on appelle le spectre de la lumière, c’est l'ensemble des longueurs d'onde dont la lumière est constituée.

Les ondes appartenant au domaine des rayonnements visibles ont des longueurs d'onde comprises entre

400 nm et 800 nm

respectivement pour le violet et pour le rouge.

CouleurLongueur d'onde (nm)Fréquence (THz)
Rouged'environ 625 à 740d'environ 405 à 480
Oranged'environ 590 à 625d'environ 480 à 510
Jauned'environ 565 à 590d'environ 510 à 530
Vertd'environ 520 à 565d'environ 530 à 580
Bleu d'environ 446 à 520d'environ 580 à 690
Violetd'environ 380 à 446d'environ 690 à 790

Au-delà de cet intervalle les rayonnements ne sont plus perceptibles par l'œil humain et possèdent d'autres propriétés.

Observation du spectre lumineux 🔍

Quels objets du quotidien permettent d'observer la décomposition de la lumière blanche ?
Les CDs permettent de visualiser la diffraction de la lumière.

👁 Un spectroscope permet de décomposer la lumière blanche : il s’agit de tout appareil servant à disperser par réfraction les rayons lumineux afin de permettre d'observer un spectre coloré.

De nombreux spectroscopes permettent de décomposer la lumière blanche dans la vie quotidienne. Citons les CDs par exemple, mais aussi les gouttes d'eau qui décomposent la lumière du soleil pour former les arcs-en-ciel.

Les autres ondes électromagnétiques 🧲

Les ultraviolets 🟣

Comme son nom l’indique, l’ultraviolet est "au-delà du" violet. C’est le nom qu’on donne aux longueurs d’ondes inférieures à 380 nm. Les ultraviolets sont responsables du bronzage de la peau via la formation de la mélanine.

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Le verre Coolidge, qu'est-ce que c'est ?

Dans les années 1920, un inventeur nommé William David Coolidge travaillait pour General Electric. À cette époque, les ouvriers des usines d'ampoules à incandescence étaient fréquemment brûlés par les rayons ultraviolets (UV) émis lors de la production des ampoules. Pour résoudre ce problème, Coolidge a inventé un verre spécial, appelé "verre Coolidge," capable de filtrer les UV tout en laissant passer la lumière visible. Ce verre a ensuite été utilisé pour fabriquer des écrans de protection, afin de sensibiliser aux dangers des rayons ultraviolets.

⚠️ Pour les plus faibles longueurs d'onde, ils peuvent s'avérer dangereux pour la santé humaine, notamment à cause de leur effet mutagène. Les ultraviolets ont en effet tendance à favoriser les mutations génétiques.

Les ultraviolets interviennent également dans la synthèse de la chlorophylle par les plantes ou l’assimilation du calcium par l’organisme. Ils ne peuvent être observés qu’indirectement, soit par fluorescence, soit à l’aide de détecteurs spécialisés.

Les infrarouges 🚨

Des éclats de lumière bleue.
La lumière n'a peut-être pas encore révélé tous ses secrets !

Comme son nom l'indique, les infrarouges sont de "plus basse" fréquence que le rouge, se situant dans le spectre électromagnétique à des longueurs d'onde supérieures à 780 nanomètres (nm).

Cette région du spectre, que l'on appelle infrarouge, est caractérisée par une fréquence plus basse, généralement inférieure à 400 térahertz (THz).

Les longueurs d'onde plus longues des infrarouges les distinguent des rayonnements visibles comme le rouge, mais ils partagent la nature ondulatoire des ondes électromagnétiques.Comme son nom l’indique, les infrarouges sont de “plus basse” fréquence que le rouge.

Les infrarouges sont souvent associés à la chaleur car à température ambiante, tous les corps émettant de la chaleur émettent également des radiations dans les longueurs d’ondes infrarouges.

📸 Ces radiations permettent de visualiser un corps d’humain ou d’animal la nuit grâce aux appareils de vision nocturne. Ils interviennent également dans la mise au point automatique en photographie, dans les alarmes, les télécommandes ou l’échauffement par effet de serre.

La lumière émise par les sources monochromatiques 🔦

🚨 Lorsque la lumière émise par une source ne comprend qu'une seule raie et n'est caractérisée que par une seule longueur d'onde et une seule fréquence. On qualifie alors cette dernière de monochromatique.

Les sources monochromatiques sont peu nombreuses mais on peut citer l'exemple des lasers.

La lumière émise par les sources polychromatiques ✨

Elles émettent des lumières comportant soit plusieurs raies soit une portion continue du spectre de la lumière visible.

Une source de lumière polychromatique est caractérisée par plusieurs fréquences, donc plusieurs longueurs d’onde dans le vide. La plupart des sources de lumière appartiennent à cette catégorie : le Soleil, les étoiles, les lampes à incandescence, les lampes fluocompact, les néons, etc.

À présent, vous voici avec toutes les clés pour maîtriser la lumière, et éclairer vos copies. À vous de jouer !

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).