Pas de panique ! On va te faire découvrir la lumière en accéléré. En 6e, tu as vu qu'un signal transporte une information : la lumière est un signal que captent tes yeux. Aujourd'hui, on va voir d'où vient cette lumière et comment elle voyage. Accroche-toi, c'est rapide mais limpide.
Prérequis : Le signal lumineux
En 6e, tu as appris qu'un signal (son, lumière, onde radio…) sert à transmettre une information. La lumière est un signal qui nous permet de voir les objets. Nos yeux captent cette lumière. Pour qu'un objet soit visible, il faut qu'il envoie de la lumière dans notre œil, soit parce qu'il la produit, soit parce qu'il la renvoie.
L’essentiel express
Source primaire : objet qui produit et émet sa propre lumière (ex. : Soleil, ampoule allumée). Objet diffusant : objet qui renvoie dans toutes les directions la lumière qu'il reçoit, sans en produire lui-même (ex. : Lune, livre éclairé). Propagation rectiligne : dans un milieu transparent et homogène (air, verre, eau claire), la lumière se propage toujours en ligne droite. Conséquence : un obstacle opaque (qui ne laisse pas passer la lumière) crée une zone d'ombre. On distingue : Ombre propre = la face de l'objet non éclairée ; Ombre portée = la zone sombre projetée sur une surface derrière l'objet.
À toi de jouer
1. Classe les objets suivants en source primaire (SP) ou objet diffusant (OD). Complète les phrases avec SP ou OD. (a) Le Soleil est une $\underline{\hspace{1.1em}}$. (b) Une ampoule allumée est une $\underline{\hspace{1.1em}}$. (c) La Lune est un $\underline{\hspace{1.1em}}$. (d) Un livre posé sur une table éclairée par une lampe est un $\underline{\hspace{1.1em}}$.
2. Complète ces phrases sur la propagation de la lumière. (a) Dans l'air, la lumière se propage en $\underline{\hspace{1.1em}}$. (b) Un rayon lumineux est représenté par une droite $\underline{\hspace{1.1em}}$ indiquant le sens de propagation. (c) La lumière ne peut pas contourner un obstacle $\underline{\hspace{1.1em}}$ : c'est pour cela qu'une $\underline{\hspace{1.1em}}$ se forme.
Corrigé
(a) ligne droite (b) fléchée (c) opaque ; ombre
3. Voici le schéma d'une balle éclairée par une lampe. Complète le texte et le dessin. (a) Sur le schéma, la zone non éclairée de la balle, marquée A, est l'$\underline{\hspace{1.1em}}$. (b) La zone sombre sur le mur, marquée B, est l'$\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
(a) ombre propre (b) ombre portée. Les deux rayons issus de la lampe frôlent les bords de la balle et délimitent l'ombre portée sur le mur.
Ah, ces histoires de sources et d'ombres te reviennent ? Parfait, on va remettre tout ça en ordre avec la méthode pour tracer les ombres comme un pro.
Rappel structuré
Source primaire : objet qui produit sa propre lumière (étoile, lampe allumée, bougie). Objet diffusant : renvoie la lumière reçue, sans en produire (Lune, planète, feuille blanche). Milieu homogène transparent : de composition uniforme, il laisse passer la lumière sans la diffuser (air, eau claire). Propagation rectiligne : dans un tel milieu, la lumière suit une ligne droite. On modélise le trajet par un rayon lumineux, droite fléchée dans le sens de propagation. Ombre propre : face de l'objet non éclairée. Ombre portée : zone sombre projetée sur une surface (sol, mur…) car les rayons sont arrêtés par l'objet opaque.
Méthode : construire l'ombre d'un objet
Repérer la source lumineuse (on commence avec une source ponctuelle, comme une petite lampe).
Tracer les rayons issus de la source qui rasent les bords extrêmes de l'objet opaque.
La région derrière l'objet, que ces rayons ne peuvent pas atteindre, est l'ombre portée.
La face de l'objet opposée à la source est en ombre propre.
À toi de jouer
1. Complète ces définitions. (a) Une source primaire est un objet qui $\underline{\hspace{1.1em}}$ sa propre lumière. (b) Un objet diffusant $\underline{\hspace{1.1em}}$ la lumière reçue sans en produire. (c) Un milieu homogène transparent est un milieu de composition $\underline{\hspace{1.1em}}$ qui laisse $\underline{\hspace{1.1em}}$ la lumière. (d) Dans un tel milieu, la lumière se propage en $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
(a) produit (ou émet) (b) renvoie (ou diffuse) (c) uniforme ; passer (d) ligne droite
2. Pour chaque élément, indique s'il s'agit d'une source primaire (SP), d'un objet diffusant (OD) ou d'un milieu transparent (MT). Justifie en remplissant les trous. (a) Une étoile : $\underline{\hspace{1.1em}}$ parce qu'elle $\underline{\hspace{1.1em}}$ sa propre lumière. (b) La planète Vénus : $\underline{\hspace{1.1em}}$ parce qu'elle $\underline{\hspace{1.1em}}$ la lumière du Soleil. (c) L'eau claire : $\underline{\hspace{1.1em}}$ parce qu'elle laisse passer la lumière sans la $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
(a) Une étoile : SP parce qu'elle produit (ou émet) sa propre lumière.
(b) La planète Vénus : OD parce qu'elle renvoie (ou diffuse) la lumière du Soleil.
(c) L'eau claire : MT parce qu'elle laisse passer la lumière sans la diffuser.
Attention : un milieu transparent se distingue d'un milieu translucide précisément parce qu'il laisse passer la lumière sans la diffuser — tu vois nettement à travers lui. Un milieu qui bloquerait ou absorberait la lumière serait opaque, pas transparent.
3. On va tracer l'ombre portée d'un crayon éclairé par une petite lampe (source ponctuelle). Reproduis le schéma ci-dessous, puis suis la méthode. Complète ensuite les phrases. La zone comprise entre les deux rayons sur l'écran est en $\underline{\hspace{1.1em}}$. La partie du crayon située du côté opposé à la lampe est en $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
Ombre portée ; ombre propre. Les deux rayons issus de la lampe, passant par les extrémités du crayon, délimitent la zone d'ombre sur l'écran. La face droite du crayon n'est pas éclairée : c'est l'ombre propre.
Maintenant que tu as la méthode, on muscle tout ça avec cinq mini-exos identiques. Prêt pour la routine ? C'est parti !
À toi de jouer
1. Complète par source primaire ou objet diffusant. Le Soleil : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
source primaire
2. Complète par source primaire ou objet diffusant. La Lune : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
objet diffusant
3. Complète par source primaire ou objet diffusant. Une bougie allumée : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
source primaire
4. Complète par source primaire ou objet diffusant. Un écran de téléphone éteint : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
objet diffusant
5. Complète par source primaire ou objet diffusant. La planète Jupiter : $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
objet diffusant
Tu es chaud. On monte d'un cran avec des exercices type contrôle. Pas de trous cette fois : c'est toi qui répond tout seul. Bonne chance !
À toi de jouer
1. Classe les six éléments suivants en « source primaire » ou « objet diffusant ». Justifie chaque réponse en une phrase. a) Un tube néon allumé. b) La Lune. c) Un miroir éclairé par le soleil. d) Un ver luisant. e) L'écran d'un ordinateur allumé. f) Un arbre éclairé par un lampadaire.
Corrigé
a) Source primaire – le tube néon produit sa propre lumière par électricité. b) Objet diffusant – la Lune renvoie la lumière du Soleil sans en produire. c) Objet diffusant – un miroir réfléchit la lumière, il ne la produit pas. d) Source primaire – le ver luisant émet de la lumière par bioluminescence. e) Source primaire – l'écran allumé émet sa propre lumière. f) Objet diffusant – l'arbre diffuse la lumière reçue du lampadaire.
2. Vrai ou Faux ? Corrige les affirmations fausses. a) La lumière se propage en ligne droite dans l'air. b) Un rayon lumineux se déplace de l'œil vers l'objet pour que nous puissions voir. c) L'eau de mer est un milieu homogène transparent. d) Lors d'une éclipse de Lune, la Lune devient une source primaire. e) Pour obtenir une ombre portée aux contours nets, il vaut mieux utiliser une source lumineuse étendue.
Corrigé
a) Vrai. b) Faux, la lumière va de l'objet vers l'œil (ou de la source vers l'objet puis vers l'œil). c) Vrai, l'eau de mer est transparente et homogène. d) Faux, la Lune ne produit pas de lumière ; lors d'une éclipse, elle est dans l'ombre de la Terre mais reste un objet diffusant. e) Faux, une source ponctuelle donne des contours nets ; une source étendue crée une pénombre floue.
3. On éclaire une balle opaque avec une lampe de poche (source quasi ponctuelle). a) Représente sur un schéma la situation vue de profil avec la lampe, la balle et un mur. b) Trace les rayons lumineux. c) Indique l'ombre propre et l'ombre portée. d) Explique en une phrase pourquoi l'ombre portée a des contours nets. e) Que se passerait-il si on utilisait un néon rectiligne (source étendue) ?
Corrigé
a) et b) Schéma vue de profil : la lampe est placée à gauche, la balle opaque au centre, le mur à droite. Deux rayons partent de la lampe, sont tangents à la balle (l'un par le haut, l'autre par le bas), puis atteignent le mur en délimitant la zone d'ombre portée.
c) Ombre propre : c'est la partie de la balle qui ne reçoit pas la lumière, c'est-à-dire la partie droite de la balle (le côté opposé à la lampe). Ombre portée : c'est la zone sombre projetée sur le mur, comprise entre les deux rayons tangents.
d) La source est quasi ponctuelle, donc les rayons lumineux qui délimitent l'ombre sont parfaitement définis et il n'existe aucune zone de pénombre entre l'ombre et la lumière : les contours de l'ombre portée sont ainsi nets et précis.
e) Avec un néon rectiligne (source étendue), chaque point de la source enverrait des rayons sous des angles légèrement différents. Il se formerait alors une zone d'ombre totale au centre et une zone de pénombre floue tout autour, là où la balle ne cache qu'une partie de la source.
4. Éclipse de Soleil : la Lune passe entre la Terre et le Soleil, les trois astres étant presque alignés. a) Quelle est la source primaire dans ce système ? b) Pourquoi certains observateurs sur Terre se retrouvent-ils dans l'obscurité totale pendant l'éclipse ? c) Pourquoi d'autres observateurs voient-ils une éclipse partielle (pénombre) ? d) Schématise la situation avec la Lune, le Soleil et la Terre pour expliquer tes réponses.
Corrigé
a) Le Soleil est la source primaire. b) Les observateurs situés dans le cône d'ombre (umbra) de la Lune ne reçoivent plus aucun rayon direct du Soleil, ils sont dans l'obscurité totale. c) Ceux situés dans la pénombre ne voient qu'une partie du Soleil cachée par la Lune, d'où une éclipse partielle. d) Schéma : Soleil à gauche, Lune au centre, Terre à droite ; cône d'ombre (umbra) étroit touchant une petite zone terrestre, et pénombre plus large autour.
5. Construis l'ombre portée d'un bâton vertical planté dans le sol, éclairé par le Soleil (considéré comme source lointaine, rayons parallèles). a) Les rayons du Soleil arrivent avec une inclinaison donnée. Trace au moins trois rayons parallèles. b) Hachure la zone d'ombre portée sur le sol. c) Si le Soleil est plus bas sur l'horizon, l'ombre sera-t-elle plus longue ou plus courte ? Justifie.
Corrigé
a) Tracer trois rayons parallèles inclinés (ex. 30° par rapport au sol) : un passant par le sommet du bâton, deux autres de part et d'autre, tous atteignant le sol. b) Hachurer la zone sur le sol entre le pied du bâton et le point où le rayon passant par le sommet touche le sol : c'est l'ombre portée. c) Si le Soleil est plus bas, l'angle est plus ras, les rayons arrivent presque horizontalement, le rayon passant par le sommet touche le sol plus loin : l'ombre est plus longue.
Tu as assuré ! Pour finir, on va explorer des phénomènes un peu plus avancés : la pénombre et la formation d'images par un petit trou. Tu vas bluffer ton prof.
Source étendue et pénombre
Une source lumineuse étendue (tube néon, grande fenêtre) n'est pas un point. Chaque point de la source émet des rayons dans toutes les directions. Derrière un obstacle opaque, il existe alors : L'ombre totale (umbra) : zone où aucun point de la source n'est visible, c'est l'ombre la plus sombre. La pénombre : zone où seule une partie de la source est visible, l'éclairement y est partiel et les bords de l'ombre portée sont flous. Plus la source est grande par rapport à l'objet, plus la pénombre est étendue.
La chambre noire (sténopé)
Une petite ouverture dans une boîte sombre laisse entrer la lumière. Comme celle-ci se propage en ligne droite, chaque point d'un objet extérieur envoie un fin pinceau lumineux qui traverse le trou et atteint un écran à l'intérieur. Les rayons du haut de l'objet arrivent en bas de l'écran, et inversement : on obtient une image renversée (haut-bas, gauche-droite). C'est le principe de l'appareil photo primitif et de notre œil ! Si le trou est trop grand, l'image devient floue car un même point de l'objet éclaire une tache et non un point unique.
À toi de jouer
1. Un spot lumineux rectangulaire (source étendue) éclaire un disque opaque placé entre la source et un écran. a) Représente la situation vue de dessus : source longue, disque, écran. Trace les rayons issus des deux extrémités de la source. b) Sur ton schéma, colorie la zone d'ombre totale (umbra) en noir, et la zone de pénombre en gris. c) Explique pourquoi les bords de l'ombre portée sont flous.
Corrigé
a) On trace quatre rayons : depuis l'extrémité gauche de la source, deux rayons tangents au disque (un par le haut, un par le bas) ; depuis l'extrémité droite, deux rayons tangents. Ces rayons délimitent plusieurs zones sur l'écran. b) La zone noire (umbra) correspond à la région de l'écran qui n'est touchée par aucun rayon issu de la source. La zone grise (pénombre) est atteinte par une partie seulement de la source. c) Les bords flous viennent de la pénombre : on passe progressivement de l'ombre totale à la pleine lumière, à cause de la taille de la source.
2. Une bougie allumée est placée devant une boîte percée d'un petit trou. Un écran translucide est placé à l'intérieur de la boîte. a) Explique pourquoi l'image de la flamme apparaît renversée sur l'écran en utilisant la propagation rectiligne. b) Représente le trajet de deux rayons issus de deux points opposés de la flamme (pointe et base) jusqu'à l'écran. c) Que se passerait-il si le trou était beaucoup plus grand ?
Corrigé
a) La pointe de la flamme émet de la lumière qui passe par le trou en ligne droite et atteint la partie basse de l'écran. La base de la flamme émet de la lumière qui passe par le même trou et atteint la partie haute de l'écran. L'image est donc inversée. b) Un rayon part de la pointe (position haute) passe par le trou et atterrit en bas de l'écran. Un rayon part de la base (position basse) passe par le trou et atterrit en haut de l'écran. c) Un trou plus grand laisse passer des rayons issus d'un même point selon plusieurs directions ; chaque point de l'objet forme alors une tache sur l'écran, l'image devient floue (et plus lumineuse).
3. Dans une chambre noire, une petite fenêtre donne sur un paysage ensoleillé. Le mur opposé est blanc. On observe une image nette mais inversée du paysage. Explique ce phénomène en t'aidant d'un schéma.
Corrigé
La petite fenêtre se comporte comme un sténopé. La lumière de chaque point du paysage pénètre par la fenêtre en ligne droite et vient frapper le mur opposé. Les rayons issus du haut du paysage (ciel) arrivent en bas du mur, ceux issus du bas (sol) arrivent en haut. L'ensemble forme une image inversée du paysage. La netteté est due à la petite taille de l'ouverture qui limite le croisement des rayons. Schéma : fenêtre percée, rayons droits issus de deux points opposés du paysage se projetant sur le mur.
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