Lumière : sources et propagation rectiligne

Les prérequis (rien de méchant)

Trois idées suffisent pour démarrer, et tu les connais déjà sans le savoir.

1. Une ligne droite, c'est un trajet parfaitement tout droit, sans le moindre virage.

2. On ne voit un objet que si de la lumière partie de cet objet entre dans notre œil. Dans le noir complet, plus rien n'est visible : pas de lumière, pas de vision.

3. Un objet peut soit fabriquer lui-même de la lumière, soit seulement renvoyer la lumière qu'il reçoit d'ailleurs. Retiens cette différence : c'est déjà la moitié du chapitre.

L'essentiel, version express

Voici tout le cœur du chapitre en quatre phrases.

Deux familles de sources. Une source primaire produit sa propre lumière (le Soleil, une bougie, une ampoule allumée, l'écran allumé d'un téléphone, une étoile). Un objet diffusant ne produit rien : il reçoit la lumière d'une source et la renvoie autour de lui (la Lune, une feuille de papier blanc, la planète Mars, un livre éclairé par une lampe).

La lumière va tout droit. Dans un milieu homogène (partout pareil) et transparent (qui laisse passer la lumière), la lumière se propage en ligne droite. On dessine son trajet par un rayon lumineux : une droite avec une flèche qui indique le sens.

D'où viennent les ombres. Un objet opaque (qui ne laisse pas passer la lumière) bloque les rayons. Résultat : une ombre propre (le côté sombre de l'objet lui-même) et une ombre portée (la tache sombre projetée derrière l'objet, sur le sol ou un mur).

La règle d'or à retenir : dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Presque toutes les questions du contrôle découlent de cette seule phrase.

Un exemple fait en entier

Question type : la Lune est-elle une source primaire ou un objet diffusant ?

Étape 1. Je me demande : la Lune fabrique-t-elle sa propre lumière ? Non, c'est un gros caillou froid ; elle ne brûle pas et ne s'allume pas.

Étape 2. Alors pourquoi brille-t-elle la nuit ? Parce qu'elle reçoit la lumière du Soleil et qu'elle en renvoie une partie vers nous.

Étape 3. Un objet qui ne produit rien mais renvoie la lumière reçue, c'est exactement la définition d'un objet diffusant.

Conclusion. La Lune est un objet diffusant, pas une source primaire. C'est le piège classique du contrôle : ne tombe pas dedans.

Sources primaires et objets diffusants

Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de lui atteigne notre œil. Mais tous les objets n'ont pas le même rôle vis-à-vis de la lumière.

Source primaire : objet qui produit et émet sa propre lumière. Exemples : le Soleil, une flamme de bougie, une ampoule allumée, l'écran allumé d'un téléphone, une étoile.

Objet diffusant : objet qui reçoit la lumière d'une source primaire et la renvoie dans toutes les directions. Il ne produit aucune lumière par lui-même. Exemples : la Lune, un livre éclairé par une lampe, la planète Mars, une feuille de papier blanc.

C'est grâce aux objets diffusants qu'on voit la quasi-totalité de ce qui nous entoure : ta table, tes mains, ce texte imprimé ne produisent pas de lumière, ils diffusent celle de la pièce.

Le rayon lumineux et le faisceau

Comme la lumière voyage en ligne droite, on peut la représenter par un modèle simple.

Rayon lumineux : une droite fléchée qui représente le trajet suivi par la lumière, la flèche donnant le sens de propagation. C'est un modèle : dans la réalité, on ne voit pas un fil de lumière suspendu dans l'air, mais ce dessin décrit fidèlement le trajet.

Condition importante : ce trajet n'est droit que dans un milieu homogène (de composition uniforme partout) et transparent (qui laisse passer la lumière). L'air, l'eau pure et le verre sont transparents ; le carton est opaque ; le verre dépoli ou le papier calque sont translucides (ils laissent passer la lumière, mais on ne voit pas nettement à travers).

Faisceau lumineux : un ensemble de rayons lumineux. Une petite source envoie un faisceau qui s'ouvre en s'éloignant : c'est un faisceau divergent. Un laser, lui, envoie un faisceau très fin dont les rayons restent quasiment parallèles.

Ombre propre et ombre portée

Puisque la lumière ne contourne pas les obstacles, un objet opaque placé devant une source crée deux zones sombres, qu'il ne faut surtout pas confondre.

Ombre propre : la partie de l'objet lui-même qui n'est pas éclairée, c'est-à-dire sa face opposée à la source.

Ombre portée : la zone sombre projetée par l'objet sur une surface située derrière lui : le sol, un mur, un écran.

Méthode pour construire les ombres d'un objet opaque :

• Repérer la source de lumière.
• Tracer les rayons lumineux qui rasent les bords extrêmes de l'objet.
• Derrière l'objet, la zone que ces rayons ne peuvent pas atteindre est l'ombre portée.
• La face de l'objet non touchée par les rayons est en ombre propre.

On trie : source primaire ou objet diffusant ?

On nous donne une liste et on doit classer chaque objet. Je réfléchis à voix haute avec une seule question : « produit-il sa lumière, oui ou non ? »

Le Soleil. Il émet énormément de lumière tout seul, sans rien recevoir. → source primaire.

La Lune. Elle ne produit rien, elle renvoie la lumière du Soleil. → objet diffusant.

Une bougie allumée. La flamme fabrique sa propre lumière. → source primaire.

Une feuille de papier blanc. Dans le noir total, elle est invisible ; éclairée, elle renvoie la lumière reçue. → objet diffusant.

Un écran de téléphone allumé. Il éclaire ton visage dans le noir : il produit donc sa lumière. → source primaire. (Attention : éteint, ce même écran ne serait plus qu'un objet diffusant.)

La planète Mars. Une planète ne brûle pas ; elle brille parce qu'elle diffuse la lumière du Soleil. → objet diffusant.

La question réflexe à garder : « dans le noir total, cet objet éclaire-t-il ? » Si oui, source primaire ; si non, objet diffusant.

On construit une ombre portée, ensemble

Énoncé : une petite lampe éclaire une boule opaque placée devant un écran. On veut dessiner l'ombre portée. On applique la méthode pas à pas.

Étape 1 — la source. La lampe est petite : on la traite comme un point, une source ponctuelle.

Étape 2 — les rayons qui rasent. Depuis la source, je trace deux rayons qui frôlent le haut et le bas de la boule. Comme la lumière va tout droit, je prolonge ces deux rayons en lignes parfaitement droites jusqu'à l'écran.

Étape 3 — l'ombre portée. Entre ces deux rayons, derrière la boule, aucune lumière n'arrive : c'est le cône d'ombre. Là où il rencontre l'écran, on obtient la tache sombre : l'ombre portée.

Étape 4 — l'ombre propre. La face arrière de la boule, que les rayons ne touchent pas, est en ombre propre.

Ce que montre le schéma : les bords de l'ombre portée sont nets, parce que la source est ponctuelle. Garde en tête ce lien « source ponctuelle → ombre nette » : on le réutilise au palier suivant.

On explique : pourquoi vois-tu ce livre ?

Question de cours qui revient souvent : « Un livre n'est pas une source de lumière. Alors comment fais-tu pour le voir ? » On rédige la réponse ensemble, dans l'ordre.

Étape 1. Une source primaire de la pièce (la lampe, ou le Soleil par la fenêtre) émet de la lumière.

Étape 2. Cette lumière voyage en ligne droite jusqu'au livre et éclaire sa surface.

Étape 3. Le livre est un objet diffusant : il renvoie une partie de cette lumière dans toutes les directions.

Étape 4. Une partie de la lumière renvoyée entre dans ton œil : c'est à cet instant que tu vois le livre.

Conclusion à écrire : on voit un objet diffusant grâce à la lumière d'une source primaire qu'il renvoie jusqu'à notre œil. Sans source allumée, pas de vision possible.

La subtilité qui rapporte : ombre nette ou pénombre

Jusqu'ici on éclairait avec une source ponctuelle (assimilée à un point) : l'ombre portée a des bords nets. Mais dans la vraie vie, beaucoup de sources sont étendues : un tube néon, une fenêtre, un plafonnier large.

Avec une source étendue, il apparaît trois zones derrière l'objet opaque :

• l'ombre (au centre) : zone qui ne reçoit de lumière d'aucun point de la source ;
• la pénombre (tout autour) : zone qui reçoit la lumière d'une partie seulement de la source ;
• la zone pleinement éclairée, à l'extérieur.

À retenir : source ponctuelle → ombre aux bords nets ; source étendue → ombre entourée d'une pénombre floue. C'est pour cela que ton ombre au Soleil (source lointaine, presque ponctuelle) a des contours assez francs, alors qu'un grand plafonnier donne des ombres aux bords adoucis.

Problème résolu : prévoir la taille de l'ombre

Énoncé : une source ponctuelle éclaire une balle opaque qui projette son ombre sur un mur. Que devient l'ombre portée si on rapproche la balle de la source ? Et si on éloigne le mur ?

Raisonnement — on garde en tête que la lumière va tout droit.

1. Les bords de l'ombre sont donnés par les deux rayons qui rasent la balle et filent tout droit jusqu'au mur : ces rayons forment un cône qui s'élargit à mesure qu'on s'éloigne de la source.

2. Si je rapproche la balle de la source, elle intercepte le faisceau plus près de la pointe du cône ; les rayons rasants repartent alors avec un plus grand écart avant d'atteindre le mur. → l'ombre portée grandit.

3. Si j'éloigne le mur, je laisse le cône d'ombre s'ouvrir davantage avant qu'il ne rencontre la surface. → l'ombre portée grandit aussi.

Conclusion : plus la balle est proche de la source, ou plus le mur est loin, plus l'ombre portée est grande. Tout se déduit du trajet rectiligne des rayons, sans le moindre calcul.

Ce que le correcteur attend (et les pièges)

Sur un schéma d'ombres, on te demande presque toujours de :

• tracer les rayons à la règle, bien droits, avec une flèche indiquant le sens ;
• faire partir les rayons utiles des bords de l'objet opaque ;
• légender clairement l'ombre propre, l'ombre portée et, si la source est étendue, la pénombre ;
• justifier par la phrase clé : « la lumière se propage en ligne droite ».

Pièges classiques à éviter :

• croire que la Lune produit sa lumière : non, elle diffuse celle du Soleil.
• faire « contourner » l'obstacle par la lumière : elle va tout droit, et c'est justement ce qui crée l'ombre.
• confondre ombre propre (sur l'objet) et ombre portée (sur la surface située derrière).
• oublier qu'un objet translucide (verre dépoli) laisse passer une partie de la lumière : son ombre portée est floue, pas franche comme celle d'un objet opaque.

La chambre noire : la preuve par l'image

Perce un tout petit trou dans une boîte fermée, place un objet lumineux devant : sur la paroi du fond apparaît une image... à l'envers. C'est la chambre noire (ou sténopé), l'ancêtre de l'appareil photo.

Pourquoi renversée ? Parce que la lumière va tout droit. La lumière partie du haut de l'objet traverse le trou en ligne droite et arrive... en bas de l'image. Celle partie du bas arrive en haut. Les rayons se croisent au niveau du trou : l'image est donc inversée.

C'est une vraie démonstration de la propagation rectiligne : si la lumière tournait ou se répandait n'importe comment, aucune image nette ne se formerait. Le simple fait qu'une image apparaisse, et qu'elle soit renversée, prouve que la lumière a suivi des lignes droites qui se croisent au trou.

Des ombres à l'échelle du ciel : les éclipses

Le principe des ombres, appliqué au Soleil, à la Terre et à la Lune, explique les éclipses.

Éclipse de Soleil : la Lune passe entre le Soleil et la Terre. Comme tout objet opaque, elle projette une ombre qui file en ligne droite et vient toucher la Terre. Les personnes situées dans cette ombre voient le Soleil caché : elles sont en pleine éclipse.

Éclipse de Lune : cette fois, c'est la Terre qui se trouve entre le Soleil et la Lune. L'ombre de la Terre se projette sur la Lune, qui s'assombrit alors dans le ciel.

Rien de magique là-dedans : ce sont exactement l'ombre propre et l'ombre portée de ton cours, mais avec des astres à la place de la boule et de l'écran.

Ce qui t'attend les prochaines années

La vitesse de la lumière. La lumière ne se contente pas d'aller tout droit : elle va très vite. Sa vitesse vaut $c \approx 300\,000 \text{ km/s}$, soit environ $3 \times 10^{8} \text{ m/s}$. Avec la relation $d = v \times t$, on calcule qu'elle met environ 8 minutes pour venir du Soleil jusqu'à nous. Quand tu regardes une étoile lointaine, tu vois donc sa lumière d'il y a des années : tu observes le passé.

La lumière peut changer de direction. « Ligne droite » n'est vrai que dans un milieu homogène et transparent. Quand la lumière change de milieu (de l'air vers l'eau, vers le verre), elle peut être renvoyée (la réflexion, comme dans un miroir) ou déviée (la réfraction, comme la paille qui semble cassée dans un verre d'eau). Et si l'air n'est pas homogène (très chaud près du sol l'été), la lumière se courbe légèrement : c'est le mirage. Tu verras tout cela les années suivantes.

Un pont vers les maths. La taille d'une ombre se calcule avec de la proportionnalité : l'objet et son ombre forment deux triangles semblables, dont les rapports de longueurs sont égaux, du type $\dfrac{H}{h} = \dfrac{D}{d}$. Cet outil géométrique, le théorème de Thalès, tu le rencontreras plus tard au collège, et il transformera tes schémas d'ombres en véritables calculs.