L'optique : lumière, couleurs et vision
Comprendre la lumière, sa propagation, les couleurs et le fonctionnement de l'œil.
Qu'est-ce que la lumière ?
Lumière
La lumière est une forme d'énergie qui nous permet de voir. Elle peut être émise par des sources naturelles (Soleil) ou artificielles (lampes).
Sources de lumière
Source primaire
Objet qui produit sa propre lumière (Soleil, lampe, flamme, écran...).
Source secondaire (objet diffusant)
Objet qui renvoie la lumière qu'il reçoit (Lune, mur, livre, notre visage...).
On ne voit un objet que s'il envoie de la lumière vers nos yeux.
- Source primaire : il émet sa propre lumière
- Objet diffusant : il renvoie la lumière qu'il reçoit
La propagation de la lumière
La lumière se propage en ligne droite
Propagation rectiligne
Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se déplace en ligne droite.
EXEMPLE
Les rayons du Soleil qui passent à travers les nuages forment des lignes droites visibles.
Le rayon lumineux
Rayon lumineux
Représentation du chemin suivi par la lumière. On le dessine par une droite avec une flèche indiquant le sens de propagation.
L'ombre
Ombre
Zone qui ne reçoit pas de lumière car un objet opaque bloque les rayons lumineux.
Types d'ombres :
| Type | Description |
|---|---|
| Ombre propre | Zone sombre sur l'objet lui-même |
| Ombre portée | Zone sombre derrière l'objet (sur un écran) |
| Pénombre | Zone partiellement éclairée (source étendue) |
La vitesse de la lumière
La lumière se déplace extrêmement vite : c = 300 000 km/s (dans le vide)
C'est la vitesse maximale possible dans l'univers !
EXEMPLE
- La lumière du Soleil met environ 8 minutes pour atteindre la Terre.
- La lumière de la Lune met environ 1,3 seconde pour nous parvenir.
Les couleurs
La lumière blanche
Lumière blanche
Lumière composée de toutes les couleurs du spectre visible. La lumière du Soleil est une lumière blanche.
Décomposition de la lumière blanche
Spectre
Ensemble des couleurs obtenues en décomposant la lumière blanche. On utilise un prisme ou un réseau.
Les couleurs du spectre (arc-en-ciel) : Rouge - Orange - Jaune - Vert - Bleu - Indigo - Violet
Moyen mnémotechnique : Rose Ouvrit Joyeusement Volets Bleus Indigo Violets
Synthèse additive des couleurs
Synthèse additive
Addition de lumières colorées. Les trois couleurs primaires sont : rouge, vert, bleu (RVB).
Mélanges :
| Mélange | Résultat |
|---|---|
| Rouge + Vert | Jaune |
| Rouge + Bleu | Magenta |
| Vert + Bleu | Cyan |
| Rouge + Vert + Bleu | Blanc |
EXEMPLE
Les écrans (TV, téléphone) utilisent la synthèse additive : chaque pixel contient des sous-pixels rouge, vert et bleu.
Synthèse soustractive des couleurs
Synthèse soustractive
Mélange de pigments ou de filtres qui absorbent certaines couleurs. Les couleurs primaires sont : cyan, magenta, jaune (CMJ).
Mélanges :
| Mélange | Résultat |
|---|---|
| Cyan + Magenta | Bleu |
| Cyan + Jaune | Vert |
| Magenta + Jaune | Rouge |
| Cyan + Magenta + Jaune | Noir |
EXEMPLE
La peinture et l'imprimerie utilisent la synthèse soustractive (CMJN : cyan, magenta, jaune, noir).
La couleur des objets
Pourquoi voit-on des couleurs ?
Un objet coloré absorbe certaines couleurs et diffuse (renvoie) d'autres. La couleur que l'on voit est celle qui est diffusée vers nos yeux.
EXEMPLE
Une tomate éclairée en lumière blanche :
- Elle absorbe le vert et le bleu
- Elle diffuse le rouge
- On la voit rouge !
Couleur et éclairage
La couleur perçue dépend de l'éclairage :
EXEMPLE
Une banane jaune :
- En lumière blanche → jaune
- En lumière rouge → rouge/orange
- En lumière bleue → noire (elle absorbe le bleu et ne reçoit pas de jaune à renvoyer)
L'œil et la vision
Structure de l'œil
| Partie | Rôle |
|---|---|
| Cornée | Protection, début de la convergence |
| Iris | Diaphragme coloré, règle la quantité de lumière |
| Pupille | Ouverture au centre de l'iris |
| Cristallin | Lentille qui fait la mise au point |
| Rétine | Écran au fond de l'œil, capte l'image |
| Nerf optique | Transmet l'information au cerveau |
La formation de l'image
- La lumière entre par la pupille
- Le cristallin fait converger les rayons
- Une image inversée se forme sur la rétine
- Les cellules de la rétine (cônes et bâtonnets) captent la lumière
- Le nerf optique envoie l'information au cerveau
- Le cerveau "redresse" l'image
Cônes : vision des couleurs (lumière forte) Bâtonnets : vision en noir et blanc (faible lumière)
Les défauts de la vision
| Défaut | Problème | Correction |
|---|---|---|
| Myopie | Voit mal de loin | Lentilles divergentes |
| Hypermétropie | Voit mal de près | Lentilles convergentes |
| Presbytie | Voit mal de près (avec l'âge) | Lentilles convergentes |
| Astigmatisme | Vision déformée | Lentilles toriques |
Les lentilles
Lentilles convergentes
Lentille convergente
Lentille plus épaisse au centre qu'aux bords. Elle fait converger les rayons lumineux vers un point (le foyer).
Symbole : On la représente par une flèche à double pointe vers l'extérieur.
Lentilles divergentes
Lentille divergente
Lentille plus mince au centre qu'aux bords. Elle fait diverger les rayons lumineux.
Symbole : On la représente par une flèche à double pointe vers l'intérieur.
Exercices
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Pourquoi voit-on la Lune alors qu'elle ne produit pas de lumière ?
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La lumière du Soleil met 8 minutes pour atteindre la Terre. À quelle distance est le Soleil ? (c = 300 000 km/s)
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Quelles sont les trois couleurs primaires en synthèse additive ? En synthèse soustractive ?
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Un objet vert est éclairé par une lumière rouge. De quelle couleur le voit-on ? Explique.
-
Quel est le rôle du cristallin dans l'œil ?
Points clés à retenir
- Source primaire = émet de la lumière / Objet diffusant = renvoie la lumière
- La lumière se propage en ligne droite à 300 000 km/s
- Lumière blanche = toutes les couleurs du spectre
- Synthèse additive (lumières) : R + V + B = blanc
- Synthèse soustractive (pigments) : C + M + J = noir
- Un objet absorbe certaines couleurs et diffuse celle qu'on voit
- Œil : la lumière traverse pupille et cristallin, image sur la rétine
Fiche de révision fournie gratuitement par Oz'Agir - L'éducation pour tous
www.oz-agir.fr/nos-enfants/optique-lumiere-4eme