OPTIQUE 1 Quelques propriétés de la lumière

OPTIQUE 1 Quelques propriétés de la
lumière
ACTIVITES
Activité 1 : Passer de la lumière blanche à des lumières colorées
Expérience A : Décomposer la lumière blanche
Réponses aux questions
1. Les objets qui permettent de décomposer la lumière blanche sont : les CD, le réseau et le prisme.
2. Sans le réseau : une fente blanche
Avec le réseau : dessin d’un spectre de lumière blanche avec un seul ordre de chaque côté de la
fente blanche (voir photo 1 p. 168).
3. Les lumières colorées proviennent de la lumière blanche, qui a été décomposée par le réseau.
4. On parle de « décomposition » de la lumière blanche car le réseau permet de distinguer, de
séparer la multitude de lumières colorées qui composent la lumière blanche.
5. Le spectre de la lumière blanche est un spectre continu car l’ensemble des lumières colorées,
allant du violet au rouge, ne présente aucune interruption (pas de bande noire).
Expérience B : Obtenir une lumière colorée
Réponses aux questions
1. Dessin du spectre de la lumière blanche et au-dessous (même alignement) les spectres pour les
trois filtres (voir photos 1 et 2 p. 168).
2. Le filtre rouge (respectivement vert, bleu) transmet la lumière rouge (respectivement verte, bleue)
et absorbe toutes les autres lumières colorées du spectre de la lumière blanche.
3. Le réseau, s’il est placé avant le filtre, sert à décomposer la lumière blanche et permet ainsi de
constater quelles lumières sont filtrées par la suite. S’il est placé après le filtre, il donne simplement
le spectre de la lumière filtrée.
4. Un filtre coloré est un objet transparent ayant une couleur. Il permet de sélectionner une partie
des lumières colorées composant la lumière blanche.
5.
Vers le bilan...
Un réseau sert à décomposer la lumière blanche, pour faire apparaître les lumières colorées qu’elle
contient. Un filtre sert à sélectionner une partie de ces lumières colorées composant la lumière blanche.
Optique 1 – Corrigés – 1
Activité 2 : Superposer des lumières colorées
Expérience A : Obtenir différentes lumières colorées
Réponses aux questions
1. En superposant les lumières bleue et rouge, j’observe une lumière magenta.
En superposant les lumières bleue et verte, j’observe une lumière cyan.
En superposant les lumières verte et rouge, j’observe une lumière jaune.
En superposant les lumières bleue, rouge et verte, j’observe une lumière blanche.
2.
bleu + rouge = magenta
bleu + vert = cyan
vert + rouge = jaune
bleu + vert + rouge = blanc
3. On parle de synthèse additive car on superpose, c’est-à-dire on additionne, deux lumières
colorées pour en obtenir une autre.
4. Les lumières magenta, cyan et jaune sont appelées « lumières secondaires » car on les obtient en
additionnant les lumières primaires deux à deux.
Investigation B : Produire une « ombre colorée »
Propose une hypothèse
À partir de la BD, les élèves peuvent formuler différentes hypothèses, ils doivent déterminer le
nombre de sources :
- une source de lumière blanche ;
- deux sources de lumière blanche ;
- trois sources de lumière blanche.
Une fois le nombre de sources de lumière déterminées, il faut les interroger sur la couleur des
sources (donc la couleur des filtres à utiliser) et leur ordre ou bien les laisser tester au cours de
l’expérience.
Pour obtenir trois ombres colorées, il faut utiliser trois sources de lumières colorées (de gauche à
droite : bleue, rouge et verte).
Réalise une expérience
Les élèves doivent dresser la liste du matériel en fonction de leur hypothèse.
La liste du matériel pour obtenir trois ombres colorées est : une source de lumière blanche avec son
alimentation, un objet dont on projettera l’ombre, un écran blanc, trois filtres (rouge, bleu, vert).
Conclus
Pour obtenir trois ombres colorées, il faut utiliser trois sources de lumière blanche placées de gauche
à droite : bleue, rouge et verte. Pour chacune des ombres, l’objet empêche une des trois lumières
primaires d’atteindre l’écran, ce qui permet d’obtenir des ombres colorées par synthèse additive des
deux autres.
Vers le bilan...
La superposition de deux lumières colorées peut servir à obtenir une autre lumière colorée, et même de la
lumière blanche.
Activité 3 : Découvrir et utiliser la vitesse de la lumière
Document
Réponses aux questions
1. Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que la vitesse se propageait instantanément, c’està-dire à une vitesse infinie. À partir du XVIIe siècle et jusqu’à nos jours, des mesures de la vitesse de
la lumière ont été possibles et de manières de plus en plus précises grâce aux avancées des
connaissances et des technologies.
2.
De ton voisin de classe à toi
0,000 000 003 s = 3·10–9 s
Environ 1 m
De la Lune à la Terre
1,28 s
384 000 km
Du Soleil à la Terre
500 s = 8 min 20 s
150 000 000 km
De Proxima à la Terre
139 000 000 s = 4,4 années
41 600 000 000 000 km
3. La formule de la distance est : d = v × t. La formule du temps est : t = d / v.
Optique 1 – Corrigés – 2
1 m = 1·100 m
384 000 km = 3,84·105 km
8
150 000 000 km = 1,5·10 km
41 600 000 000 000 km = 4,16·1013 km
L’intérêt de cette écriture est qu’elle permet d’écrire en peu de place de très grands nombres.
5. La vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air) en écriture scientifique est :
300 000 km/s = 3·105 km/s
300 000 000 m/s = 3·108 m/s.
6. Quelques exemples de vitesse de la lumière :
2,2·108 m/s (dans l’eau) ;
2·108 m/s (dans le verre).
On constate que la vitesse de la lumière, dans d’autres milieux que le vide (ou l’air), est toujours
nettement inférieure à 3·108 m/s. Cette valeur représente une vitesse limite.
4.
Vers le bilan...
Cette expression s’explique par le fait que la lumière se propage d’un point à un autre en mettant un
certain temps, qui dépend de la distance à parcourir. En astronomie, les distances sont très grandes, donc
le temps de propagation aussi, ce qui permet d’observer les astres tels qu’ils étaient il y a longtemps, et
même souvent très longtemps.
EXERCICES
Je vérifie mes connaissances
Exercice 1 : Schématiser l’action d’un réseau
C’est Ana María qui a raison, car un réseau décompose la lumière blanche en une infinité de lumières
colorées (qui correspondent à son spectre), mais n’en élimine aucune.
Exercice 2 : Schématiser l’action d’un filtre
C’est Tom qui a raison car un filtre rouge transmet la lumière rouge et absorbe toutes les autres lumières
colorées composant la lumière blanche.
Optique 1 – Corrigés – 3
Exercice 3 : Choisir les bonnes réponses
1. Les objets qui peuvent décomposer la lumière blanche sont : un réseau, un prisme, une goutte d’eau, un
CD…
2.
Exercice 4 : Superposer des lumières
1.
Zone 1 : blanc : rouge + vert + bleu = blanc
Zone 2 : magenta : rouge + bleu = magenta
Zone 3 : jaune : rouge + vert = jaune
Zone 4 : cyan : vert + bleu = cyan
2. Les lumières primaires sont : la lumière bleue, la lumière verte et la lumière rouge.
Les lumières secondaires sont : la lumière jaune, la lumière magenta et la lumière cyan.
Exercice 5 : Choisir les bonnes réponses
a. Un filtre est un objet transparent et coloré.
b. Si un filtre vert est éclairé en lumière blanche, il transmet la lumière verte et absorbe les autres
lumières colorées.
c. Un filtre rouge est éclairé en lumière rouge transmet la lumière rouge et n’absorbe aucune lumière.
Exercice 6 : Vrai ou faux
a. Faux. D’après son spectre, une lumière blanche est composée d’une infinité de lumières colorées.
b. Vrai. Cette lumière est de la lumière blanche.
c. Faux. Un filtre coloré sélectionne une des couleurs composant la lumière blanche.
d. Faux. On obtient de la lumière blanche par synthèse additive en superposant les trois lumières
primaires (lumière rouge, verte et bleue), mais trois lumières quelconques peuvent donner une couleur
quelconque.
Exercice 7 : Exprimer la vitesse de la lumière
1. Comme 1 m = 0,001 km, 300 000 000 m/s = 300 000 000 × 0,001 km/s = 300 000 km/s.
2. En écriture scientifique, la vitesse de la lumière est : 3·108 m/s = 3·105 km/s.
Exercice 8 : Utiliser les bonnes unités
1. La formule pour calculer une vitesse est v = d / t.
2. Si la vitesse est en mètres par seconde (m/s), alors la distance est en mètres (m) et le temps en secondes
(s).
3. Une autre unité utilisée pour la vitesse est le kilomètre par heure (km/h). La distance est alors en
kilomètres (km) et le temps en heures (h).
Exercice 9 : Choisir la bonne réponse
La lumière a comme vitesse maximale environ 300 000 km/s : c’est sa vitesse lorsqu’elle se propage dans
le vide. Dans l’eau, la lumière se propage à 225 000 km/s.
J’applique...
Exercice 11 : Une autre histoire de verre teinté
1. Ce verre se comporte comme un filtre vert. Il ne laisse passer que la lumière verte et absorbe toutes les
autres lumières colorées présentes dans la lumière blanche.
2. Le sirop de grenadine se comporte aussi comme un filtre, même s’il est liquide et non solide. Il ne
transmet que la lumière rouge et absorbe toutes les autres lumières colorées.
Optique 1 – Corrigés – 4
3. La lumière blanche passe à travers deux filtres, le verre et le sirop, l’un après l’autre. Seule la lumière
verte traverse le verre. La grenadine, filtre rouge, absorbe cette lumière verte. Elle ne transmet donc
aucune lumière colorée et apparaît noire.
4. Le sirop de menthe sera de couleur verte car le verre ne transmet que la lumière verte et le sirop
également.
Exercice 12 : C’est le spectre de … ?
Si c’est le spectre de la lumière du Soleil, alors il doit être composé d’une infinité de lumières colorées et
il doit être continu. Or ce spectre est discontinu (bandes noires), donc ce n’est pas le spectre de la lumière
du Soleil.
Exercice 13 : Histoire d’ambiance
1. La bougie qui peut émettre de la lumière bleue est celle qui est dans un verre bleu. La lumière émise
par la bougie est de la lumière blanche, elle sera filtrée par le verre bleu, qui transmettra la lumière bleue
et absorbera toutes les autres lumières colorées.
2. Les autres bougies produisent de la lumière blanche car la combustion de la cire (et parfois de la
mèche) émet une lumière blanche, que la cire soit colorée ou non.
3. Pour obtenir une ambiance rouge dans une pièce dont les murs sont blancs, il faut placer une bougie
dans un verre rouge.
Exercice 14 : Derrière tes lunettes...
1. Le feu m’apparaît vert car la lumière verte est transmise par le verre de mes lunettes jusqu’à mon œil.
2. Le feu m’apparaît vert car la lumière verte est transmise par le verre jusqu’à mon œil. Les verres
teintés en vert jouent le rôle d’un filtre vert : ils peuvent transmettre la lumière verte et absorber toutes les
autres lumières colorées.
3. Le feu m’apparaît noir car la lumière verte est absorbée par le verre (filtre bleu) et aucune lumière
n’est transmise jusqu’à mon œil.
Exercice 15 : Des drapeaux et des filtres
1. Agnès a d’abord utilisé un filtre bleu. Il a transmis uniquement la lumière bleue et a absorbé toutes les
autres lumières colorées.
Elle a ensuite utilisé un filtre vert. Il a transmis uniquement la lumière verte et a absorbé toutes autres
lumières colorées.
2. Deborah a utilisé un filtre vert (qui ne laisse passer que de la lumière verte).
3. Si les couleurs sont données dans l’ordre, Deborah a regardé le drapeau de la Sierra Leone : la lumière
verte des deux premières bandes a traversé le filtre, mais la lumière bleue de la troisième a été absorbée.
Exercice 16 : Une question d’éclairagiste
Les ombres seront formées par la superposition de deux lumières primaires qui donneront une lumière
secondaire (jaune, magenta, cyan).
Ombre de gauche : pas de lumière rouge donc couleur cyan.
Ombre du milieu : pas de lumière verte donc couleur magenta.
Ombre de droite : pas de lumière bleue donc couleur jaune.
Exercice 17 : Une étoile dans la presse
1. Une supernova est une nova gigantesque, qui signe la fin de vie d’une étoile. Son intensité lumineuse
augmente considérablement en quelques jours, au point de la faire apparaître comme une « nouvelle
étoile » (d'où l’expression latine « nova stella »). Le préfixe « super » la distingue d'une simple nova, qui
désigne également une étoile dont l'intensité lumineuse augmente, mais de façon beaucoup moins
importante (jusqu’à deux mille fois moins).
« NGC » signifie New General Catalogue, l’un des catalogues de galaxies et autres objets du ciel, publié
en 1888 par l’astronome Dreyer.
2. La lumière émise par l’explosion de cette étoile, c’est-à-dire la supernova, a mis 250 millions d’années
pour arriver sur Terre et pouvoir être observée par les appareils astronomiques.
Optique 1 – Corrigés – 5
Exercice 18 : Des zéros, des zéros, encore des zéros
1. Il faut compter le nombre de zéros après le chiffre 3 : huit zéros, donc l’exposant de la puissance de 10
est 8.
300 000 000 m/s = 3 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 = 3·108 m/s.
2. Il faut compter le nombre de zéros après le chiffre 3 : cinq zéros, donc l’exposant de la puissance de 10
est 5.
300 000 km/s = 3 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 = 3·105 km/s.
3. Il faut multiplier par 1000 car 1 km = 1 000 m.
300 000 km/s = 300 000 × 1000 = 300 000 000 m/s.
4. Comme 1 km = 1 000 m = 103 m.
3 ! 10 8
3 ! 10 8
3 ! 10 8 m/s=
km/s=
km/s=3 ! 10 8"3 km/s= 3 ! 10 5 km/s .
3
1000
10
Exercice 19 : L’Univers est si grand…
1. En écriture scientifique, la distance Terre - Mars est 8,0·107 km et la distance Terre - Pluton est
5,75·109 km.
2. La distance Terre - Jupiter est 6,3·108 km = 630 000 000 km et la distance Terre - Saturne est
1,25·109 km = 1 250 000 000 km.
Exercice 20 : À quelle distance est la Lune ?
1. La vitesse de la lumière dans le vide est 3·105 km/s.
2. Attention, 2,56 s est la durée d’un aller-retour, donc la durée d’un aller simple est la moitié (t = 1,28 s).
La distance Terre - Lune est donc : d = v × t = 3·105 × 1,28 = 3,84·105 km.
Exercice 21 : Lointaines mais brillantes
1. Le classement des étoiles, de la plus proche à la plus lointaine, est : Alpha du Centaure A ; Sirius ;
Véga ; Arcturus ; Capella ; Canopus.
L’étoile la plus proche (Alpha du Centaure A) n’est pas la plus lumineuse. (C’est Sirius la plus
lumineuse.)
2. C’est le même classement que le précédent car plus une étoile est distante et plus sa lumière met du
temps à nous parvenir.
3. Le temps que met la lumière pour arriver sur Terre depuis Sirius est :
d 8,2 ! 1013
t= =
= 2,7 ! 10 8 s = 8,6années .
5
v
3 ! 10
Le temps que met la lumière pour arriver sur Terre depuis Canopus est :
d 9,3 ! 1014
t= =
= 3,1 ! 10 9 s = 98années .
5
v
3 ! 10
Exercice 22 : Si une étoile s’éteignait...
1. L’étoile Proxima du Centaure est l’étoile qui émet une lumière rouge (vers la gauche de la photo), d’où
son classement parmi les naines rouges.
2. Elle pourra encore être observée sur Terre après sa mort, car la lumière émise avant sa mort met un
certain temps à nous parvenir. Sa lumière parcourt 300 000 kilomètres en une seconde.
3. La durée est : t = 4,32 × 365 × 24 × 60 × 60 soit 136 000 000 s.
La distance qui nous sépare de l’étoile Proxima du Centaure est :
d = v × t = 300 000 × 136 000 000 = 4 080 000 000 000 km.
d 150 000000
4. t = =
= 500s .
v
300000
Si le Soleil s’éteignait brusquement, alors nous recevrions encore sa lumière sur Terre pendant 500 s,
c’est-à-dire pendant 8 min 20 s.
Optique 1 – Corrigés – 6
J’approfondis...
Exercice 23 : Comment expliquer les images colorées d’un écran ?
1. Les lumières provenant des luminophores sont les lumières rouges, vertes et bleues : ce sont les
lumières primaires.
2. Les autres lumières colorées sont obtenues par synthèse additive des lumières primaires provenant des
trois types de luminophores.
3. Les types de luminophores éclairés sont :
– zone 1 : les trois types ;
– zone 2 : les luminophores verts et rouges ;
– zone 3 : les luminophores verts et bleus ;
– zone 4 : les luminophores verts ;
– zone 5 : les luminophores bleus et rouges ;
– zone 6 : les luminophores rouges ;
– zone 7 : seuls les luminophores bleus ;
– zone 8 : aucun.
Exercice 24 : Des unités adaptées aux distances spatiales
1. En écriture scientifique, la galaxie NGC 1300 est distante de 5,68·1020 km.
2. t = 1 × 365 × 24 × 60 × 60 = 31 536 000 s = 3,15·107 s.
Une année-lumière est une distance de : d = v × t = 3·105 × 3,1536·107 = 9, 46·1012 km.
3. La distance de la galaxie NGC 1300 en années-lumière est :
5,68 ! 10 20
d=
= 5,37 ! 10 9 al .
12
9,4608 ! 10
4. La distance de la galaxie NGC 1300 en unités astronomiques est :
5,68 ! 10 20
d=
= 3,78 ! 1012 ua .
8
1,5 ! 10
Exercice 25 : De quoi parlent ces extraterrestres ?
1. La lumière a mis environ cinq cent mille ans, pour aller de la Terre jusqu’à ces extraterrestres, car ils
reçoivent la lumière à l’époque de la Préhistoire (les hommes frottent des pierres pour allumer du feu).
2. t = 500 000 × 365 × 24 × 60 × 60 = 16 000 000 000 000 s = 1,6·1013 s.
La distance entre la Terre et leur planète est : d = v × t = 3·105 × 1,5768·1013 = 4,7·1018 km.
3. Non, on obtiendrait un résultat différent, car la valeur de la vitesse de la lumière dépend du milieu
qu’elle traverse : dans un autre milieu que le vide, la vitesse est plus faible que dans le vide, donc la
distance calculée serait plus petite.
Exercice 26 : Maman, un orage !
1. d = v × t = 340 × 6 = 2040 m.
La distance parcourue par le son en 6 s est 2040 m, soit 2,04 km.
d
2040
2. t = =
= 0,0000068s = 6,8 " 10 !6 s .
v 300000000
Le temps mis par la lumière pour parcourir 2040 m est 6,8·10–6 s.
3. Le temps de parcours mis par la lumière est suffisamment petit pour considérer qu’Éric voit
instantanément l’éclair.
4. La foudre est tombée à 2040 m, soit 2,04 km de la maison d’Éric.
Exercice 27 : Régler la palette des couleurs sur ordinateur
1. Les trois couleurs de base du système RVB sont rouge, vert et bleu (les trois couleurs primaires).
2. Si toutes les proportions de couleurs sont égales à 0 alors on obtient du noir.
Si toutes les proportions de couleurs sont égales à 255 alors on obtient du blanc.
3. D’après l’exemple, en réglant sur 255 le rouge et le vert et sur 0 le bleu, on obtient du jaune.
Optique 1 – Corrigés – 7
Si on règle sur 255 le bleu et le vert et sur 0 le rouge, on devrait observer du cyan.
4. L’élève doit le faire sur son ordinateur.
Exercice 28 : Une erreur historique
1. Le phénomène sonore est le tonnerre et le phénomène visuel est la foudre.
2. L’erreur commise par les savants repose sur le fait qu’ils comparent deux phénomènes qui se propagent
à des vitesses très différentes.
Comme la vitesse de la lumière est beaucoup plus grande que celle du son (environ un million de fois),
sur de faibles distances, la lumière donne l’impression de se propager instantanément.
Mène l’enquête !!
Exercice 29 : Un problème de lampe
Ce photographe devrait décomposer avec un réseau chacune des deux lumières émises par les lampes afin
d’observer leur spectre et de le comparer à celui de la lumière blanche, qui est un spectre continu allant du
rouge au violet.
Exercice 30 : Que vas-tu voir ?
1. Les hypothèses possibles sont par exemple :
– Je suis d’accord avec l’hypothèse proposée.
– Je vais observer un écran noir (hypothèse correcte).
– Je vais observer un écran avec une partie bleue et une partie rouge.
– Je vais observer un écran vert.
2. Liste du matériel : une source de lumière blanche, deux filtres (bleu et rouge), un écran blanc.
Schéma : mettre dans l’ordre suivant le matériel, la source de lumière blanche, puis les deux filtres l’un
derrière l’autre et enfin l’écran blanc avec la zone noire.
Exercice 31 : L’ombre jaune ?
1. Liste du matériel : trois sources de lumière blanche, trois filtres colorés (rouge, vert et bleu), un objet
pour projeter son ombre, un écran blanc.
2. 3.
Exercice 32 : C’est la Révolution ?
La prise de la Bastille a eu lieu le 14 juillet 1789.Depuis cette date, le temps écoulé est :
t = 2007 – 1789 = 218 années
Optique 1 – Corrigés – 8
= 218 × 365 × 24 × 60 × 60 = 6 900 000 000 s = 6,9 ·109 s.
La distance séparant la Terre de Brok et Chnok est : d = v × t = 3·105 × 6,9 ·109 = 2,1·1015 km = 220 al.
À cette distance on trouve par exemple l’étoile Zaurak de la constellation Éridan, ou Alpha du Lynx, ou
Delta du Toucan, ou encore Spica dans la constellation de la Vierge.
Une expérience simple et amusante : Fabrique un arc-en-ciel
1. Les conditions pour observer un arc-en-ciel sont :
– le Soleil dans le dos (pas trop haut dans le ciel) ;
– de fines gouttelettes dans l’air.
2. La source primaire à l’origine de l’arc-en-ciel est le Soleil.
3. Ce phénomène correspond à la décomposition, par les gouttelettes, de la lumière blanche du Soleil.
DOSSIERS
Histoire – Les travaux du professeur Newton
1. Newton utilise un prisme en verre pour décomposer la lumière blanche.
2. Cet « ensemble de couleurs vives et intenses ainsi produites » s’appelle le spectre de la lumière
blanche.
3. Avec un prisme, Newton observe la décomposition de la lumière blanche. Il a pu en conclure que la
lumière blanche est composée d’une infinité de lumières colorées.
Avec deux prismes, Newton fait d’abord la décomposition de la lumière blanche avec un prisme, puis il
isole le faisceau bleu et essaye de le décomposer à son tour avec le deuxième prisme, mais il observe
toujours une lumière bleue. Il peut alors en conclure que la lumière bleue est composée d’une seule
lumière, de couleur bleue.
Environnement – De la lumière invisible
1. Par rapport au spectre de la lumière blanche, les UV se trouve à gauche de la lumière violette et les IR
à droite de la lumière rouge.
2. En montagne ou à la mer, l’exposition aux rayons UV est plus importante à cause de la diffusion
supplémentaire des UV par la neige ou l’eau en direction de notre peau. De plus, en montagne, les UV ont
été moins filtrés par l’atmosphère en raison de l’altitude.
3. Quelques exemples d’activités humaines qui augmentent l’effet de serre : le transport automobile ou
aérien, le chauffage, les industries, qui dégagent entre autres du dioxyde de carbone.
Santé – Des filtres qui travaillent pendant les vacances
1. Les trois principaux effets des lunettes de soleil sont :
– atténuer la lumière du Soleil pour éviter d’être ébloui ;
– protéger nos yeux des lumières invisibles (UV) ;
– modifier les couleurs des objets que l’on regarde si les verres sont teintés.
2. Quelques problèmes de santé causés par la lumière solaire :
– la cataracte, qui est une opacification du cristallin ;
– la photokératite qui correspond à des lésions des couches externes de la cornée entraînant de vives
douleurs et une moindre vision ;
– le ptérygion qui est dû à une dilatation des vaisseaux de la surface de l'œil ;
– la kératopathie en gouttelettes est une dégénérescence cécitante de la cornée ;
– le cancer oculaire, dont le mélanome malin est la forme la plus répandue de cancer malin du globe
oculaire.
Optique 1 – Corrigés – 9