Matières › ⚛️ Physique-Chimie › Collège › La lumière : propagation et couleur
🌈

La lumière : propagation et couleur

Propagation rectiligne, vitesse de la lumière, décomposition, synthèse additive, couleur des objets

🌍 Application dans la vie courante : Comprendre la propagation rectiligne explique la formation des ombres portées (cadran solaire, éclipses) ; comprendre la diffusion de la couleur explique pourquoi un même vêtement peut sembler changer de couleur sous un éclairage artificiel (magasin, scène) par rapport à la lumière du jour.
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène (comme l'air) : c'est la propagation rectiligne, que l'on représente par des rayons lumineux. Elle voyage extrêmement vite — environ 300 000300\,000 km/s dans le vide — une vitesse si grande qu'elle semble instantanée à notre échelle, mais qui devient mesurable sur des distances astronomiques.

La lumière du Soleil ou d'une lampe, dite lumière blanche, n'est pas une couleur « pure » : elle est en réalité la superposition de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Un prisme (ou des gouttes d'eau) peut la décomposer en un spectre continu allant du rouge au violet.

Un objet qui n'émet pas sa propre lumière (comme un pull ou un mur) ne fait que diffuser une partie de la lumière qu'il reçoit, et absorber le reste : la couleur perçue d'un objet dépend donc à la fois de sa nature et de la couleur de la lumière qui l'éclaire.

📖 Vocabulaire clé

Rayon lumineux : Représentation graphique, sous forme de ligne droite fléchée, du trajet suivi par la lumière dans un milieu transparent et homogène.
Propagation rectiligne : Principe selon lequel la lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène, à une vitesse d'environ 300 000300\,000 km/s dans le vide.
Lumière blanche : Lumière (comme celle du Soleil) qui est en réalité la superposition de toutes les couleurs du spectre visible. Un prisme peut la décomposer en un spectre continu du rouge au violet.
Synthèse additive : Recomposition de la lumière blanche (ou d'une autre couleur) par superposition de lumières colorées. Les trois couleurs primaires de la lumière sont le rouge, le vert et le bleu.
Diffusion (couleur d'un objet) : Un objet non lumineux renvoie (diffuse) une partie de la lumière qu'il reçoit et absorbe le reste. La couleur perçue dépend donc à la fois de l'objet et de la lumière qui l'éclaire.

📋 Analyser un phénomène lumineux en 3 étapes

  1. 1 Identifier la nature du problème : s'agit-il de propagation (trajet de la lumière, ombre) ou de couleur (diffusion, absorption, décomposition) ?
  2. 2 Pour un problème de propagation : tracer les rayons lumineux en lignes droites depuis chaque source, jusqu'à l'objet ou l'écran concerné.
  3. 3 Pour un problème de couleur : déterminer quelle(s) couleur(s) composent la lumière reçue par l'objet, en déduire ce qu'il peut diffuser (= couleur perçue) et ce qu'il absorbe forcément.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un pull est vert. On l'éclaire d'abord en lumière blanche, puis en lumière rouge pure.

Décris et explique sa couleur apparente dans chacun des deux cas.
Démarche :
  1. En lumière blanche (qui contient toutes les couleurs, dont le vert), le pull diffuse la composante verte qu'il reçoit et absorbe les autres composantes : il apparaît vert.
  2. En lumière rouge pure, la lumière reçue par le pull ne contient aucune composante verte à diffuser.
  3. N'ayant rien à diffuser (il ne peut pas « inventer » du vert), le pull absorbe presque toute la lumière rouge reçue : il apparaît noir (ou très sombre).
Réponse : Le pull apparaît vert sous lumière blanche, mais noir sous lumière rouge pure : la couleur perçue d'un objet dépend à la fois de sa nature et de la lumière qui l'éclaire, pas seulement de l'objet lui-même.

⚗️ Lois et formules clés

Vitesse de la lumière (dans le vide) : c≈300 000c \approx 300\,000 km/s
Durée de propagation : t=dct = \dfrac{d}{c}
Couleurs primaires de la lumière (synthèse additive) : rouge, vert, bleu
Lumière blanche = superposition de toutes les couleurs du spectre visible
Couleur perçue d'un objet = couleur de la lumière qu'il diffuse

🎨 Illustrations

Décomposition de la lumière
La lumière blanche : un mélange de toutes les couleurs

Un prisme ne « colore » pas la lumière : il révèle les couleurs qu'elle contenait déjà, en les déviant chacune un peu différemment (le rouge est le moins dévié, le violet le plus dévié).

Decomposition de la lumiere blanche par un prisme Un rayon de lumiere blanche se propage en ligne droite horizontale et penetre dans un prisme triangulaire en verre. A l'interieur du prisme, le rayon change legerement de direction, puis ressort par la face opposee en se separant en sept rayons colores qui divergent : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet, du moins devie au plus devie. Une ligne pointillee prolonge la direction du rayon interne pour montrer que le rayon rouge est le moins ecarte de cette direction et le rayon violet le plus ecarte, conformement a la decomposition reelle de la lumiere blanche. Prisme (en verre) Lumière blanche Rouge Orange Jaune Vert Bleu Indigo Violet Décomposition en un spectre continu de couleurs
  • 1 Le rayon de lumière blanche se propage en ligne droite jusqu'au prisme, où il change légèrement de direction (réfraction), puis ressort par la face opposée.
  • 2 En ressortant, la lumière blanche se sépare en un spectre continu de couleurs, toujours dans le même ordre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.
  • 3 Comparé à la ligne pointillée (direction non déviée), le rouge est la couleur la moins déviée, le violet la plus déviée : chaque couleur est légèrement plus ou moins « freinée » par le verre.
Ce qu'il faut lire : Suis le rayon horizontal jusqu'au prisme, repère le léger changement de direction à l'intérieur, puis observe l'éventail des sept couleurs qui en ressortent, toujours dans le même ordre.
Décomposition de la lumière blanche par un prisme : un spectre continu de sept couleurs apparaît, du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié).
Couleur des objets
Pourquoi un pull vert peut sembler noir

Un objet non lumineux ne fait que diffuser une partie de la lumière reçue : sous lumière blanche, le pull vert diffuse sa composante verte ; sous lumière rouge pure, il n'a aucun vert à diffuser.

Diffusion de la couleur d'un pull vert sous deux eclairages A gauche, une source de lumiere blanche eclaire un pull vert : un rayon vert sort du pull vers un oeil, qui percoit du vert. A droite, la meme source emet de la lumiere rouge pure vers le meme pull vert : aucun rayon colore ne sort du pull, une croix indique qu'il n'a rien a diffuser, et l'oeil percoit du noir. Une ligne pointillee verticale separe les deux scenes. LUMIÈRE BLANCHE LUMIÈRE ROUGE PURE Source Pull vert Vert Perçu : vert absorbe le rouge et le bleu Source Pull vert ✕ Absorbé Perçu : noir absorbe presque tout
  • 1 Sous lumière blanche (à gauche), qui contient toutes les couleurs, le pull vert diffuse la composante verte qu'il reçoit et absorbe le reste : il est perçu vert.
  • 2 Sous lumière rouge pure (à droite), la lumière reçue ne contient aucune composante verte. Le pull n'a rien à diffuser : il absorbe presque toute la lumière reçue et apparaît noir, ou très sombre.
  • 3 Le pull est physiquement le même objet dans les deux cas : seule la lumière qui l'éclaire change, ce qui change entièrement sa couleur perçue — la couleur d'un objet n'est jamais une propriété fixe et absolue.
Ce qu'il faut lire : Compare les deux panneaux : à gauche la lumière blanche qui arrive contient du vert, donc le pull peut en diffuser vers l'œil ; à droite la lumière rouge pure n'en contient pas, donc le pull ne diffuse rien et paraît noir.
Le même pull vert, éclairé successivement en lumière blanche puis en lumière rouge pure : sa couleur perçue dépend entièrement de la lumière qui l'éclaire, pas seulement de sa propre nature.

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Une erreur fréquente est de croire qu'un objet coloré « contient » ou « produit » sa propre couleur, par exemple qu'un pull rouge émettrait de la lumière rouge.

✅ La suggestion

Attention : un objet non lumineux ne fait que diffuser une partie de la lumière qu'il reçoit (et absorber le reste) — un pull rouge éclairé en lumière blanche diffuse le rouge reçu, mais éclairé en lumière verte pure, sans aucun rouge à diffuser, il apparaît noir.

💡 À retenir

  • La lumière se propage en ligne droite (propagation rectiligne) dans un milieu transparent et homogène, à environ 300 000300\,000 km/s dans le vide.
  • La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs du spectre visible ; un prisme la décompose sans en changer la nature.
  • Un objet non lumineux ne fait que diffuser une partie de la lumière reçue (et absorber le reste) : sa couleur apparente dépend donc de la lumière qui l'éclaire, pas seulement de l'objet.
  • La propagation rectiligne permet aussi de calculer une ombre portée (triangles semblables) ou une durée de propagation (t=d/ct = d/c) sur de grandes distances.

🌍 Application dans la vie courante

Où ce phénomène intervient-il ?
Comprendre la propagation rectiligne explique la formation des ombres portées (cadran solaire, éclipses) ; comprendre la diffusion de la couleur explique pourquoi un même vêtement peut sembler changer de couleur sous un éclairage artificiel (magasin, scène) par rapport à la lumière du jour.

Mots-clés associés : Propagation rectiligneVitesse de la lumièreDécompositionSpectreCouleurDiffusion
← Les lois des circuits (série et dérivation) 6 / 12 → Structure de l'atome et ions