Fiche de physique - chimie
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La lumière: sources et propagation rectiligne

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La lumière nous arrive naturellement le matin et sa présence nous accompagne toute la journée jusqu'à la tombée de la nuit. En l'absence de lumière naturelle ou artificielle, notre développement aurait été très différent et la Terre ne serait peut-être pas source de vie. Dans cette fiche, nous allons étudier les sources de lumière, la propagation de la lumière et nous expliquerons la notion d'ombre et de pénombre.

I. Les sources de lumière

On distingue deux types de source de lumière: les sources étendues et les sources ponctuelles.

Le soleil est une source de lumière primaire et naturelle car il produit lui-même sa lumière et il nous envoie ses rayons lumineux. C'est une source de lumière étendue car ses dimensions sont très grandes. La Lune est une source de lumière secondaire car elle ne produit pas de lumière mais elle diffuse la lumière du soleil qu'elle reçoit dans toutes les directions, elle est aussi naturelle et étendue. On parle alors de source étendue.

Une diode électroluminescente (D.E.L), un laser ou une lampe de projecteur sont des sources de lumière primaires artificielles ponctuelles car on les assimile à un point qui émet de la lumière. On parle alors de source ponctuelle.

II. La propagation de la lumière

Vous avez déjà observé des raies de lumière le matin à travers les volets ou les faisceaux de projecteur de diapositives. Ces raies sont parallèles et rectilignes d'où la conclusion que la lumière se propage en ligne droite en milieu homogène et transparent. Un milieu homogène a les mêmes propriétés en tous ses points. L'ensemble des rayons lumineux forme un faisceau lumineux. Le rayon lumineux est la droite suivant laquelle la lumière se propage. C'est une représentation schématique qui nous explique le phénomène physique que constitue la propagation de la lumière. Même si une source ne peut être réellement ponctuelle, on représente la source par un point, on utilise la notion de rayons lumineux pour représenter le faisceau et on trace les rayons extrêmes de ce faisceau issus de la source ponctuelle.

Schéma de la représentation d'un rayon et d'un faisceau lumineux issus d'une source ponctuelle :

Lumière : sources et propagation rectiligne : image 1


III. Ombre et pénombre

Les ombres sont des surfaces que la lumière de la source ne peut atteindre. La propagation rectiligne de la lumière permet d'expliquer la formation des ombres. Deux cas sont étudiés: le cas de la source ponctuelle et celui de la source étendue.

Cas d'une source ponctuelle :
On éclaire un objet placé devant un écran avec une source ponctuelle (lampe à filament).
Sur l'objet, on observe son ombre propre et sur l'écran, on observe son ombre protée.

Schéma d'un objet éclairé par une lampe :

Lumière : sources et propagation rectiligne : image 2


Cas d'une source étendue :

Si on utilise un globe lumineux à la place de la source ponctuelle, l'expérience se fait maintenant avec une source étendue.
On observe une zone de pénombre qui correspond à une zone qui n'est éclairée que par une partie de la source. Cette région reçoit la lumière ne provenant que de certains points de la source étendue. La zone d'ombre ne reçoit aucun rayon de la source étendue alors que la zone de pénombre recevra des rayons que d'une partie seulement de la source étendue.

Schéma d'un objet éclairé par un globe lumineux :

Lumière : sources et propagation rectiligne : image 3


L'utilisation des ombres a été longtemps utilisée pour se repérer dans le temps ou construire des calendriers (cadrans solaires). En effet, les ombres indiquent la position du soleil.

En conclusion, on retiendra que l'ombre portée d'un objet éclairé par une source étendue est composée par deux zones: la zone de pénombre et la zone d'ombre. Dans la zone de pénombre, on peut voir une partie de la source.
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