Les lumières visibles et invisibles sont de même nature mais l'œil humain est sensible seulement aux premières. La lumière se propage de manière rectiligne et sa vitesse dépend du milieu. Dans le vide et dans l'air, on considère que sa vitesse est c = 300\ 000 \text{ km/s} . Lorsqu'un faisceau de lumière effectue un aller-retour entre une source et un obstacle, la mesure de la durée de sa propagation permet de déterminer la distance qui les sépare.
Les différents types de lumière
On distingue la lumière visible, à laquelle l'œil humain est sensible, et les lumières invisibles.
La lumière visible
On appelle « lumière visible » l'ensemble des ondes électromagnétiques auxquelles l'œil humain est sensible. Les couleurs de l'arc-en-ciel appartiennent à ce domaine.
Lumière visible
La lumière visible est l'ensemble des ondes (ou radiations) électromagnétiques que les hommes perçoivent grâce à la vision. Elle correspond donc à l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel.
Les lumières invisibles
On appelle « lumière invisible » l'ensemble des ondes électromagnétiques auxquelles l'œil humain n'est pas sensible.
Lumière invisible
Certaines radiations électromagnétiques sont invisibles, car non perceptibles par l'œil humain. On peut ainsi parler de lumière invisible.
Les rayons infrarouges, ultraviolets ou les ondes radio font partie des lumières invisibles. Pour les identifier, il faut se munir de détecteurs spéciaux.
La propagation de la lumière
Le modèle du rayon lumineux illustre la propagation rectiligne de la lumière. Une source de lumière émet une infinité de rayons lumineux constituant un faisceau lumineux. La vitesse de la lumière dépend du milieu de propagation. Dans le vide et dans l'air, la vitesse de la lumière est c = 300\ 000 \text{ km/s} .
La propagation rectiligne de la lumière
La lumière se propage en ligne droite, ce qu'illustre le modèle du rayon lumineux.
Milieu de propagation
Le milieu de propagation est la région de l'espace dans lequel se propage une onde (lumineuse, radio ou sonore).
La lumière du Soleil se propage dans plusieurs milieux différents avant de parvenir jusqu'à nous. Sa trajectoire s'effectue en premier dans le vide (l'espace), puis dans notre atmosphère (l'air).
La lumière se propage de façon rectiligne (en ligne droite). Pour modéliser son trajet, on représente un rayon lumineux.
La lumière se propageant de manière rectiligne, si on intercale des feuilles percées entre une source lumineuse et un écran, les trous des feuilles percées doivent être alignés pour que la lumière atteigne l'écran.
Modèle du rayon lumineux
Le modèle du rayon lumineux illustre le principe de propagation rectiligne de la lumière. Le rayon est représenté par un trait et une flèche qui indiquent le sens de propagation de la lumière.
Une source laser émet un faisceau lumineux très fin, que l'on représente par un rayon lumineux se propageant de manière rectiligne.
Une source de lumière émet un faisceau lumineux, composé d'une infinité de rayons lumineux. Un faisceau lumineux est représenté en hachurant la zone délimitée par les deux rayons lumineux extrêmes émis par la source.
Le faisceau lumineux émis par une lampe est délimité par les deux rayons extrêmes qu'elle peut émettre.
La lumière ne se voit pas, on ne voit que la source de lumière et l'objet éclairé. On ne voit donc pas le chemin que prend la lumière, à moins de placer sur ce chemin des particules (fumée, brouillard, etc.) qui, en diffusant la lumière, rendront sa propagation visible.
La vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dépend du milieu dans lequel elle se propage. On considère que la vitesse de la lumière dans le vide et dans l'air, est c = 300\ 000 \text{ km/s} .
La vitesse de la lumière dépend du milieu de propagation.
La vitesse de la lumière est maximale dans le vide. Elle a quasiment la même valeur dans l'air mais est plus faible dans les autres milieux.
La vitesse de la lumière dans le vide, généralement notée c, est proche de 300\ 000 \text{ km/s} . Sa valeur dans l'air est quasiment la même. Dans le vide et dans l'air, on considère donc que : c = 300\ 000 \text{ km/s} .
La mesure des distances avec la lumière
La propagation de la lumière entre une source et un obstacle permet de mesurer la distance qui les sépare.
Distance entre un ensemble émetteur-récepteur d'ondes et un obstacle réfléchissant
Lors de la mesure d'une distance par écho, la lumière effectue un aller-retour entre un émetteur et un obstacle séparés par une distance d. Puisque la distance parcourue par la lumière est le double de d, l'expression de la vitesse de la lumière est :
c_{\text{(km/s)}} = \dfrac{ 2 \times d_{\text{(km)}}} {\Delta t_{\text{(s)}}}
Et la relation donnant la distance entre l'émetteur et l'obstacle est :
d_{\text{(km)}} = \dfrac{c_{\text{(km/s)}} \times \Delta t_{\text{(s)}} }{2}
Pour déterminer une distance à l'aide de la lumière, on suit le protocole suivant :
- On se munit d'une sonde qui regroupe un émetteur et un récepteur d'ondes lumineuses.
- On place la sonde devant un obstacle qui réfléchit la lumière.
La distance d qui sépare la sonde de l'obstacle peut alors être déterminée à partir de la vitesse de la lumière et de la durée \Delta t de l'aller-retour effectué par la lumière :
d_{\text{(km)}} = \dfrac{c_{\text{(km/s)}} \times \Delta t_{\text{(s)}} }{2}
Des miroirs ont été déposés sur la Lune lors de missions spatiales. Une onde lumineuse (laser) est envoyée depuis la Terre sur ces miroirs, qui la réfléchissent vers la Terre.
La durée mesurée entre le départ et le retour du signal laser est de 2,56 s. La distance Terre-Lune est donc :
d = \dfrac{c \times \Delta t}{2}
d = \dfrac{300\ 000 \times 2{,}56}{2}
d = 384\ 000 \text{ km}