La lumière est un phénomène qui se propage depuis les sources de lumière, lampes, étoiles, flammes, jusqu'aux récepteurs de lumière, oeil, plaque photographique, caméra vidéo, plaque CCD.
Une source de lumière transforme une forme d'énergie qui l'alimente, (électrique, chimique, thermique) en énergie lumineuse. La lumière transporte cette énergie jusqu'au récepteur.
Un récepteur est un système qui transforme l'énergie lumineuse qu'il
reçoit en une autre forme d'énergie (électrique, chimique, thermique).
Par exemple, une lampe électrique transforme une partie de l'énergie
électrique qu'elle reçoit en énergie lumineuse. Une photopile,
transforme une partie de l'énergie lumineuse reçue en énergie
électrique. L'oeil la transforme en influx nerveux etc.
Les substances transparentes permettent la propagation de la lumière. La transparence
d'une substance dépend de la "couleur" (la longueur d'onde)
de la lumière. Par exemple, le verre ordinaire est transparent pour la lumière
visible, mais est opaque pour les rayons infra-rouges.
La transparence d'une substance n'est jamais parfaite. La lumière est toujours
atténuées lors de la traversée de la substance transparente et parfois diffusée
dans d'autres directions. (cf "Pourquoi le ciel est
bleu")
Comment la lumière se propage t'elle?
On peut décrire la propagation de la lumière dans un milieu
transparent de deux manières différentes et complémentaires; soit en
terme de propagation d'une onde lumineuse soit en terme de rayons
lumineux.
Description en terme d'ondes lumineuses
Depuis la source, si le milieu de propagation est homogène la lumière se propage dans toutes les directions sous forme d'une onde lumineuse sphérique .
| On peut se représenter la propagation de la lumière depuis une source lumineuse par l'analogie de la propagation d'onde à la surface de l'eau |  |
Ainsi, une onde lumineuse traversant la frontière entre deux milieux où la
vitesse de propagation n'est pas la même, se verra déviée dans sa direction
de propagation. C'est le phénomène de réfraction; voir à ce sujet la simulation
du phénomène de réfraction.
Vitesse de propagation des ondes lumineuses
Dans le vide, la vitesse de propagation des ondes lumineuses est de c=299 792 km/s (soit à peu près 300 000 km/s)
Dans un milieu transparent, la vitesse de la lumière dépend de la
nature de ce milieu et de la couleur de la lumière. Elle est toujours
plus faible que dans le vide
| Couleur | longueur d'onde dans le vide (en µm) |
fréquence (en 10 13 Hz) |
Indice n | Vitesse de propagation (en km/s) |
| Ultraviolet proche | ||||
| Bleu sombre | ||||
| Bleu-vert | ||||
| Jaune | ||||
| Rouge moyen | ||||
| Rouge sombre |
Description de la propagation de la lumière en termes de rayons lumineux
On peut représenter la propagation de la lumière en traçant la
direction de propagation des ondes; donc en traçant des rayons
perpendiculaires aux fronts d'onde.
Une onde sphérique sera représentées par des rayons divergents issus
d'un point, centre des fronts d'onde, une onde plane par des rayons
parallèles.
Au passage de la frontière entre deux milieux d'indice de réfraction différents (un dioptre), la direction des rayons sera changée s'ils ne sont pas perpendiculaires à cette frontière.
| La loi de Snell-Descartes indique la relation entre l'angle du rayon incident et celui du rayon réfracté |
 |
Théorème de Fermat; notion de chemin optique
Les rayons lumineux suivent le chemin le plus court en durée de trajet pour aller d'un point à un autre.
Conséquence:
Si des rayons divergent à partir d'un point, puis convergent vers un
autre point, c'est que la durée du chemin effectué le long de tous les
rayons lumineux est le même.
Dans la formation d'une image d'un point par une lentille, les trajets
AFLA', AL'F'A' et AOA' ont la même durée de parcours, le même chemin
optique. Le trajet qui passe par O est plus court géométriquement mais
ce rayon traverse une épaisseur de verre plus grande où la lumière se
propage plus lentement.
Que fait la lumière lorsqu'elle rencontre un objet?
| transparent: il laisse passer la lumière. Le trajet de celle-ci sera éventuellement dévié; par exemple, un objet en verre. |
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| opaque diffusant: la lumière est réémise dans toutes les directions; c'est le cas le plus général. Quelques fois, l'objet absorbe toutes les couleurs et ne diffuse que quelques couleurs particulières. Pour plus d'explications: Pourquoi les objets sont-ils vus en couleur?. |
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| opaque réfléchissant: la lumière est renvoyée dans une direction particulière. L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. C'est le cas des miroirs. |
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| opaque absorbant: la lumière est absorbée par l'objet. L'énergie transportée par l'onde lumineuse est transformée en d'autres sortes d'énergie (thermique, électrique...) |
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Ce sont des propriétés limites; un objet transparent est toujours un
peu diffusant et absorbant. Un objet réfléchissant diffuse un peu...
De plus, ces propriétés peuvent dépendre de la couleur de la lumière, de l'angle sous lequel la lumière frappe l'objet etc.