La lumière se propage dans le vide et les milieux transparents en ligne droite. Ce phénomène est modélisé par le rayon lumineux, un segment fléché indiquant sa direction et son sens de propagation.
Rayon lumineux
Modèle géométrique représentant la propagation rectiligne de la lumière par une droite orientée d'une flèche.
Milieu transparent
Substance ou matériau qui laisse passer la lumière sans la diffuser de manière significative, permettant de voir à travers (ex: air, verre, eau).
Vitesse de la lumière (c)
Vitesse de propagation des ondes électromagnétiques (dont la lumière visible) dans le vide ou l'air, d'une valeur d'environ 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹.
Longueur d'onde (λ)
Caractéristique d'une radiation lumineuse, exprimée en mètre (m) ou nanomètre (nm), qui détermine sa couleur.
Lumière monochromatique
Lumière ne comportant qu'une seule radiation lumineuse, caractérisée par une unique longueur d'onde.
Propagation de la lumière et modèle du rayon lumineux
La lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes et transparents (air, verre, vide). Pour la représenter et étudier son trajet, on utilise le modèle du rayon lumineux : un segment orienté par une flèche qui indique le sens de propagation de l'énergie lumineuse.
Modèle du rayon lumineux
Vitesse de la lumière
La lumière visible est une onde électromagnétique qui se propage à une vitesse constante dans le vide et dans l'air, notée c. Sa valeur exacte est 299 792 458 m·s⁻¹, mais on retient généralement une valeur approchée de 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ (soit 300 000 km·s⁻¹). Cette vitesse est la limite supérieure de toute vitesse dans l'univers. La relation entre la distance parcourue (d), la vitesse (v) et la durée de propagation (t) est fondamentale pour comprendre les phénomènes lumineux.
Relation entre vitesse, distance et temps de propagation
Nature de la lumière : longueurs d'onde et couleurs
Une lumière est constituée d'une ou plusieurs radiations lumineuses. Chaque radiation est caractérisée par une longueur d'onde λ (lambda), qui s'exprime en mètres (m) ou plus couramment en nanomètres (nm), sachant que 1 nm = 10⁻⁹ m. C'est la longueur d'onde qui détermine la couleur perçue de la radiation lumineuse.
Le domaine du visible, c'est-à-dire les radiations que l'œil humain peut percevoir, s'étend approximativement de 400 nm (pour le violet) à 800 nm (pour le rouge). Une lumière peut être classée comme monochromatique si elle ne comporte qu'une seule radiation lumineuse (une seule longueur d'onde), ou polychromatique si elle est composée de plusieurs radiations lumineuses (plusieurs longueurs d'onde). Il est important de noter que la couleur d'une lumière ne permet pas à elle seule de déterminer si elle est monochromatique ou polychromatique.
Spectre du visible et longueurs d'onde associées
Dispersion de la lumière blanche
La lumière blanche, telle que celle émise par le Soleil, est une lumière polychromatique. Elle est composée de l'ensemble des radiations du spectre visible. Pour analyser sa composition, on peut la disperser à l'aide d'un prisme ou d'un réseau. Ce processus sépare les différentes radiations lumineuses et révèle le spectre continu de la lumière blanche.
Lorsqu'un faisceau de lumière blanche traverse un prisme, il subit le phénomène de réfraction, régi par la loi de Snell-Descartes. Cependant, l'indice optique du prisme n'est pas constant : il varie en fonction de la longueur d'onde de la radiation. En conséquence, chaque radiation lumineuse est déviée selon un angle qui lui est propre. Les radiations de courte longueur d'onde (vers le bleu) sont davantage déviées que celles de grande longueur d'onde (vers le rouge), ce qui provoque la dispersion de la lumière blanche en un éventail de couleurs, formant un spectre continu.
Dispersion de la lumière blanche par un prisme
A retenir :
- La lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes et transparents, modélisée par le rayon lumineux.
- La vitesse de la lumière dans le vide et l'air est une constante universelle, c ≈ 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹.
- Chaque radiation lumineuse est caractérisée par une longueur d'onde (λ) qui détermine sa couleur, le spectre visible s'étendant de 400 nm à 800 nm.
- Une lumière est monochromatique si elle n'a qu'une seule longueur d'onde, et polychromatique si elle en a plusieurs.
- La lumière blanche est polychromatique et peut être dispersée par un prisme ou un réseau, révélant son spectre continu.
- La dispersion s'explique par la variation de l'indice de réfraction du prisme avec la longueur d'onde, déviant plus les courtes longueurs d'onde.