La lumière: sources et propagation

La lumière est essentielle à la vie sur Terre et à notre perception du monde. Mais d'où vient-elle ? Il existe deux grandes catégories de sources de lumière :

• Les sources primaires : Ce sont des objets qui produisent leur propre lumière. On peut les classer en plusieurs types :
  • Sources naturelles : Le Soleil, les étoiles, les éclairs, certains animaux (luciole), le feu.
  • Sources artificielles : Les lampes à incandescence, les ampoules LED, les tubes fluorescents, les lasers, les écrans de télévision ou de smartphone.
• Les sources secondaires (ou objets diffusants) : Ce sont des objets qui ne produisent pas de lumière par eux-mêmes, mais qui la renvoient après l'avoir reçue d'une source primaire. La Lune, par exemple, brille parce qu'elle est éclairée par le Soleil et qu'elle diffuse une partie de cette lumière vers la Terre. La plupart des objets que nous voyons autour de nous (un livre, une table, un mur) sont des sources secondaires. Ils diffusent la lumière du jour ou d'une lampe.

Une fois émise par une source, la lumière se déplace. Sa propagation obéit à des principes fondamentaux :

La propagation rectiligne

Dans un milieu homogène (c'est-à-dire un milieu dont les propriétés sont identiques en tout point, comme l'air, l'eau ou le verre) et transparent, la lumière se propage en ligne droite. C'est pourquoi on peut observer des rayons de lumière traversant les nuages ou la poussière, et c'est aussi ce qui explique la formation des ombres.

On représente la trajectoire de la lumière par des rayons lumineux, qui sont des lignes droites munies d'une flèche pour indiquer le sens de propagation. Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux. Il peut être :

• Parallèle : Les rayons sont parallèles entre eux (comme la lumière d'un laser).
• Divergent : Les rayons s'écartent les uns des autres (comme la lumière d'une lampe de poche).
• Convergent : Les rayons se rapprochent vers un point (comme la lumière focalisée par une loupe).

La vitesse de la lumière

La lumière se déplace à une vitesse extrêmement élevée. Dans le vide, sa vitesse est une constante universelle notée c.

Cette vitesse est la plus rapide que l'on connaisse dans l'univers. Dans d'autres milieux (comme l'eau ou le verre), la vitesse de la lumière est plus faible que dans le vide.

Ombres et pénombres

La propagation rectiligne de la lumière explique la formation des ombres. Lorsqu'un objet opaque est éclairé par une source de lumière, il intercepte les rayons lumineux, créant une zone non éclairée derrière lui : l'ombre portée.

• Si la source de lumière est ponctuelle (très petite), l'ombre portée est nette et uniforme.
• Si la source de lumière est étendue, on observe une zone d'ombre portée (totalement privée de lumière) et une zone de pénombre (partiellement éclairée).

Nous voyons les objets parce qu'ils renvoient la lumière vers nos yeux. Ce phénomène est appelé la diffusion. Lorsqu'un rayon lumineux atteint la surface d'un objet, il peut être :

• Absorbé : L'objet capte l'énergie lumineuse et la transforme souvent en chaleur.
• Transmis : La lumière traverse l'objet (c'est le cas des milieux transparents).
• Diffusé (ou réfléchi) : La lumière est renvoyée dans différentes directions. C'est la lumière diffusée qui nous permet de voir les objets qui ne sont pas des sources primaires.

  La couleur d'un objet que nous percevons dépend des couleurs qu'il diffuse. Par exemple, un objet rouge absorbe toutes les couleurs de la lumière blanche sauf le rouge, qu'il diffuse vers nos yeux.