1. La réflexion de la lumière
Définitions.
La réflexion est le renvoi de la lumière par une surface (miroir, vitre, surface brillante). On repère les angles par rapport à la normale (la perpendiculaire à la surface au point d'impact) :
• angle d'incidence i : entre le rayon incident et la normale ;
• angle de réflexion r : entre le rayon réfléchi et la normale.
La réflexion est le renvoi de la lumière par une surface (miroir, vitre, surface brillante). On repère les angles par rapport à la normale (la perpendiculaire à la surface au point d'impact) :
• angle d'incidence i : entre le rayon incident et la normale ;
• angle de réflexion r : entre le rayon réfléchi et la normale.
Lois de la réflexion.
1. Le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi sont dans le même plan (plan d'incidence).
2. L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : r = i.
1. Le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi sont dans le même plan (plan d'incidence).
2. L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : r = i.
Exemple. Un spot éclaire une vitrine en verre avec un angle d'incidence i = 30° par rapport à la normale : le rayon réfléchi repart avec r = 30° de l'autre côté de la normale. C'est ce reflet qui peut gêner la visibilité de la vitrine : on règle l'orientation des projecteurs pour éloigner le reflet des yeux des clients.
2. La réfraction et l'indice de réfraction
Définitions.
La réfraction est le changement de direction d'un rayon lumineux quand il traverse la surface séparant deux milieux transparents (air → verre d'une vitrine, air → lentille d'objectif).
Chaque milieu est caractérisé par son indice de réfraction n (sans unité) : air n ≈ 1,0 ; eau n ≈ 1,33 ; verre n ≈ 1,5. Plus n est grand, plus le milieu est réfringent (il dévie fortement la lumière).
La réfraction est le changement de direction d'un rayon lumineux quand il traverse la surface séparant deux milieux transparents (air → verre d'une vitrine, air → lentille d'objectif).
Chaque milieu est caractérisé par son indice de réfraction n (sans unité) : air n ≈ 1,0 ; eau n ≈ 1,33 ; verre n ≈ 1,5. Plus n est grand, plus le milieu est réfringent (il dévie fortement la lumière).
Lois de la réfraction (Descartes).
1. Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans le même plan.
2. n1 × sin i1 = n2 × sin i2 (i1 : angle d'incidence dans le milieu 1, i2 : angle de réfraction dans le milieu 2).
Conséquence pratique : en entrant dans un milieu plus réfringent (air → verre), le rayon se rapproche de la normale ; en sortant (verre → air), il s'en écarte.
1. Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans le même plan.
2. n1 × sin i1 = n2 × sin i2 (i1 : angle d'incidence dans le milieu 1, i2 : angle de réfraction dans le milieu 2).
Conséquence pratique : en entrant dans un milieu plus réfringent (air → verre), le rayon se rapproche de la normale ; en sortant (verre → air), il s'en écarte.
Angle limite et réflexion totale.
Quand la lumière passe d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent (verre → air), il existe un angle limite d'incidence au-delà duquel le rayon ne peut plus sortir : il est entièrement renvoyé dans le milieu. C'est la réflexion totale.
Pour le passage verre (n = 1,5) → air (n = 1,0), l'angle limite vaut environ 42°. Application : la fibre optique guide la lumière par réflexions totales successives.
Quand la lumière passe d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent (verre → air), il existe un angle limite d'incidence au-delà duquel le rayon ne peut plus sortir : il est entièrement renvoyé dans le milieu. C'est la réflexion totale.
Pour le passage verre (n = 1,5) → air (n = 1,0), l'angle limite vaut environ 42°. Application : la fibre optique guide la lumière par réflexions totales successives.
3. Spectre, longueur d'onde, IR et UV
Lumière blanche et rayonnement monochromatique.
• La lumière blanche est composée de rayonnements de différentes longueurs d'onde : un prisme (ou un CD) la décompose en un spectre coloré, du violet au rouge. On peut recomposer du blanc en superposant ces lumières.
• Un rayonnement monochromatique (une seule couleur, ex. : laser) est caractérisé par sa longueur d'onde λ, exprimée en nanomètres (nm). 1 nm = 10−9 m.
• La lumière blanche est composée de rayonnements de différentes longueurs d'onde : un prisme (ou un CD) la décompose en un spectre coloré, du violet au rouge. On peut recomposer du blanc en superposant ces lumières.
• Un rayonnement monochromatique (une seule couleur, ex. : laser) est caractérisé par sa longueur d'onde λ, exprimée en nanomètres (nm). 1 nm = 10−9 m.
Le domaine visible et ses voisins.
• Domaine visible (dans le vide) : environ de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).
• En dessous de 400 nm : les ultraviolets (UV), invisibles.
• Au-dessus de 800 nm : les infrarouges (IR), invisibles (télécommandes, caméras thermiques).
Santé : une exposition excessive aux UV brûle la peau (coups de soleil) et endommage les yeux ; les IR en excès provoquent des brûlures thermiques. En atelier et en studio, on utilise les protections adaptées (écrans, lunettes, éloignement).
• Domaine visible (dans le vide) : environ de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).
• En dessous de 400 nm : les ultraviolets (UV), invisibles.
• Au-dessus de 800 nm : les infrarouges (IR), invisibles (télécommandes, caméras thermiques).
Santé : une exposition excessive aux UV brûle la peau (coups de soleil) et endommage les yeux ; les IR en excès provoquent des brûlures thermiques. En atelier et en studio, on utilise les protections adaptées (écrans, lunettes, éloignement).
4. Synthèses des couleurs
Synthèse additive (les lumières).
Superposer des lumières colorées : trois lumières monochromatiques suffisent pour créer toutes les couleurs — rouge, vert, bleu (RVB).
• Rouge + vert + bleu = blanc ; rouge + vert = jaune ; vert + bleu = cyan ; rouge + bleu = magenta.
L'œil réalise lui-même une synthèse additive. Applications : écrans, projecteurs vidéo, rubans LED RVB des vitrines.
Superposer des lumières colorées : trois lumières monochromatiques suffisent pour créer toutes les couleurs — rouge, vert, bleu (RVB).
• Rouge + vert + bleu = blanc ; rouge + vert = jaune ; vert + bleu = cyan ; rouge + bleu = magenta.
L'œil réalise lui-même une synthèse additive. Applications : écrans, projecteurs vidéo, rubans LED RVB des vitrines.
Synthèse soustractive (les pigments et les filtres).
Un filtre ou une encre soustrait (absorbe) certaines couleurs de la lumière blanche et laisse passer le reste. Couleurs de base : cyan, magenta, jaune (impression quadrichromie + noir).
• La couleur d'un objet dépend de la composition spectrale de l'éclairage : un tissu rouge éclairé en lumière bleue paraît presque noir.
Un filtre ou une encre soustrait (absorbe) certaines couleurs de la lumière blanche et laisse passer le reste. Couleurs de base : cyan, magenta, jaune (impression quadrichromie + noir).
• La couleur d'un objet dépend de la composition spectrale de l'éclairage : un tissu rouge éclairé en lumière bleue paraît presque noir.
Exemple. Un filtre photo cyan absorbant le rouge, placé devant un projecteur blanc, laisse passer vert + bleu : le sujet paraît cyan. En impression de bâche publicitaire, superposer les encres cyan, magenta et jaune absorbe toute la lumière : on obtient du noir (d'où l'encre noire ajoutée pour l'intensité).
5. Célérité de la lumière et photon
Le photon.
La lumière peut être modélisée par des grains d'énergie appelés photons, caractérisés par leur énergie et leur longueur d'onde. C'est l'absorption de photons qui déclenche la réponse des capteurs d'appareils photo.
La célérité de la lumière dans le vide (et presque dans l'air) : c = 3,00 × 108 m/s (300 000 km/s).
La lumière peut être modélisée par des grains d'énergie appelés photons, caractérisés par leur énergie et leur longueur d'onde. C'est l'absorption de photons qui déclenche la réponse des capteurs d'appareils photo.
La célérité de la lumière dans le vide (et presque dans l'air) : c = 3,00 × 108 m/s (300 000 km/s).
Énergie d'un photon.
E = h × c ÷ λ
• E : énergie du photon en joules (J) ;
• h : constante de Planck, h = 6,63 × 10−34 J·s (fournie) ;
• c = 3,00 × 108 m/s ; λ : longueur d'onde en mètres (m).
Plus λ est petite, plus le photon est énergétique : c'est pourquoi les UV (petite λ) sont plus dangereux que les IR.
E = h × c ÷ λ
• E : énergie du photon en joules (J) ;
• h : constante de Planck, h = 6,63 × 10−34 J·s (fournie) ;
• c = 3,00 × 108 m/s ; λ : longueur d'onde en mètres (m).
Plus λ est petite, plus le photon est énergétique : c'est pourquoi les UV (petite λ) sont plus dangereux que les IR.
Exemple détaillé. Photon rouge de λ = 600 nm = 6,00 × 10−7 m :
E = h × c ÷ λ = (6,63 × 10−34 × 3,00 × 108) ÷ 6,00 × 10−7 ≈ 3,3 × 10−19 J.
Ordre de grandeur minuscule : un capteur photo en reçoit des milliards par seconde.
E = h × c ÷ λ = (6,63 × 10−34 × 3,00 × 108) ÷ 6,00 × 10−7 ≈ 3,3 × 10−19 J.
Ordre de grandeur minuscule : un capteur photo en reçoit des milliards par seconde.
6. Photocomposants et éclairement
Les photocomposants.
Ils convertissent un rayonnement en signal électrique :
• la photorésistance : sa résistance diminue quand l'éclairement augmente (cellule d'allumage automatique d'une vitrine) ;
• la photodiode : délivre un courant proportionnel à la lumière reçue (pixels du capteur d'un appareil photo, posemètre) ;
• le phototransistor et la photopile (capteurs solaires) complètent la famille.
Leur caractéristique se trace en fonction de l'éclairement et de la longueur d'onde.
Ils convertissent un rayonnement en signal électrique :
• la photorésistance : sa résistance diminue quand l'éclairement augmente (cellule d'allumage automatique d'une vitrine) ;
• la photodiode : délivre un courant proportionnel à la lumière reçue (pixels du capteur d'un appareil photo, posemètre) ;
• le phototransistor et la photopile (capteurs solaires) complètent la famille.
Leur caractéristique se trace en fonction de l'éclairement et de la longueur d'onde.
L'éclairement.
L'éclairement (en lux) se mesure avec un luxmètre. Ordres de grandeur : nuit 0,1 lux ; atelier 300 lux ; studio photo et vitrine bien éclairée 500 à 1 000 lux ; plein soleil 50 000 lux. Les variations d'éclairement modifient le signal électrique produit par un photocomposant : c'est le principe des automatismes d'éclairage.
L'éclairement (en lux) se mesure avec un luxmètre. Ordres de grandeur : nuit 0,1 lux ; atelier 300 lux ; studio photo et vitrine bien éclairée 500 à 1 000 lux ; plein soleil 50 000 lux. Les variations d'éclairement modifient le signal électrique produit par un photocomposant : c'est le principe des automatismes d'éclairage.
À retenir.
• Réflexion : r = i ; réfraction : n1 sin i1 = n2 sin i2 ; réflexion totale possible seulement en allant vers un milieu moins réfringent (angle limite ≈ 42° pour verre → air).
• Visible : 400 à 800 nm ; UV < 400 nm < visible < 800 nm < IR ; protections contre les expositions excessives.
• Additive : lumières RVB ; soustractive : filtres et encres cyan-magenta-jaune.
• c = 3,00 × 108 m/s ; photon : E = h × c ÷ λ ; éclairement mesuré au luxmètre (lux).
• Réflexion : r = i ; réfraction : n1 sin i1 = n2 sin i2 ; réflexion totale possible seulement en allant vers un milieu moins réfringent (angle limite ≈ 42° pour verre → air).
• Visible : 400 à 800 nm ; UV < 400 nm < visible < 800 nm < IR ; protections contre les expositions excessives.
• Additive : lumières RVB ; soustractive : filtres et encres cyan-magenta-jaune.
• c = 3,00 × 108 m/s ; photon : E = h × c ÷ λ ; éclairement mesuré au luxmètre (lux).