À propos de cette page
Ce cours de spécialité physique-chimie en première sur « Lumière et couleurs » suit le programme officiel de spécialité physique-chimie de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La lumière blanche et le spectre visible, Longueur d'onde et couleur, Réfraction de la lumière — Lois de Snell-Descartes, Dispersion par un prisme. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en spécialité physique-chimie.
Au programme
1 · La lumière blanche et le spectre visible
2 · Longueur d'onde et couleur
3 · Réfraction de la lumière — Lois de Snell-Descartes
4 · Dispersion par un prisme
5 · Synthèse additive des couleurs
6 · Synthèse soustractive des couleurs
7 · Absorption et transmission par les filtres colorés
8 · Couleur des objets et spectres d'émission/d'absorption
1La lumière blanche et le spectre visible
La lumière visible est un rayonnement électromagnétique que l'œil humain peut percevoir. Elle ne représente qu'une infime partie du spectre électromagnétique, entre les ultraviolets et les infrarouges.
Spectre visible. Le spectre visible s'étend de $\lambda \approx 380\,\text{nm}$ (violet) à $\lambda \approx 780\,\text{nm}$ (rouge). La lumière blanche est la superposition de toutes les radiations monochromatiques du domaine visible.
Isaac Newton montre dès 1666 qu'un prisme décompose la lumière blanche en un spectre de couleurs continues, appelé spectre de la lumière blanche.
Ordre des couleurs dans le spectre. Du plus court au plus long de longueur d'onde : Violet · Indigo · Bleu · Vert · Jaune · Orange · Rouge. Mnémotechnique : « Vieux Indiens Bleus, Verts et Jaunes, On les Reconnaît ».
Longueurs d'onde approximatives des principales couleurs du spectre visible.
2Longueur d'onde et couleur
Une radiation monochromatique est une onde lumineuse de longueur d'onde unique $\lambda$ (dans le vide). La couleur perçue dépend directement de cette longueur d'onde.
| Couleur | Longueur d'onde $\lambda$ (nm) |
|---|
| Violet | 380 – 430 |
| Bleu | 430 – 490 |
| Vert | 490 – 560 |
| Jaune | 560 – 600 |
| Orange | 600 – 640 |
| Rouge | 640 – 780 |
Relations fréquence / longueur d'onde. Dans le vide : $c = \lambda \cdot f$, avec $c = 3{,}00 \times 10^8\,\text{m·s}^{-1}$ la célérité de la lumière, $\lambda$ en mètres, $f$ en hertz.
Exemple. Pour la lumière verte $\lambda = 530\,\text{nm} = 5{,}30 \times 10^{-7}\,\text{m}$ :
$f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{5{,}30 \times 10^{-7}} \approx 5{,}66 \times 10^{14}\,\text{Hz}$
Attention ! La longueur d'onde $\lambda$ change en changeant de milieu (elle est divisée par l'indice $n$), mais la fréquence $f$ reste la même. C'est pourquoi on caractérise toujours une couleur par sa longueur d'onde dans le vide.
3Réfraction de la lumière — Lois de Snell-Descartes
Quand un rayon lumineux passe d'un milieu d'indice $n_1$ à un milieu d'indice $n_2$, il change de direction : c'est la réfraction.
Indice de réfraction. L'indice optique $n$ d'un milieu est défini par : $n = \dfrac{c}{v}$ où $v$ est la célérité de la lumière dans ce milieu. Dans le vide $n = 1$ ; dans l'eau $n \approx 1{,}33$ ; dans le verre $n \approx 1{,}5$.
Loi de Snell-Descartes. Le rayon incident, la normale à l'interface et le rayon réfracté sont dans le même plan. On a :
$$n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$$
où $\theta_1$ et $\theta_2$ sont les angles par rapport à la normale.
Si $n_2 > n_1$ (passage dans un milieu plus réfringent), le rayon se rapproche de la normale ($\theta_2 < \theta_1$).
Exemple. Rayon passant de l'air ($n_1 = 1{,}00$) dans le verre ($n_2 = 1{,}50$) avec $\theta_1 = 30°$ :
$\sin \theta_2 = \dfrac{n_1 \sin \theta_1}{n_2} = \dfrac{1{,}00 \times \sin 30°}{1{,}50} = \dfrac{0{,}50}{1{,}50} \approx 0{,}333 \Rightarrow \theta_2 \approx 19{,}5°$
Astuce. Pour savoir si le rayon se rapproche ou s'éloigne de la normale, comparez les indices : plus réfringent → plus proche de la normale.
4Dispersion par un prisme
La dispersion est la décomposition de la lumière blanche en ses composantes monochromatiques par un milieu dont l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde.
Indice dispersif. Dans un milieu transparent (verre, eau…), l'indice $n$ dépend de $\lambda$ : $n_{\text{violet}} > n_{\text{rouge}}$. Cette variation s'appelle la dispersion chromatique.
Un prisme en verre produit la dispersion :
- La lumière blanche entre par la première face ; chaque radiation est déviée d'un angle différent.
- Le violet est le plus dévié (indice le plus élevé), le rouge est le moins dévié.
- En sortie, on observe le spectre continu de la lumière blanche : les couleurs s'étalent progressivement du violet au rouge.
Exemple : l'arc-en-ciel. Les gouttelettes d'eau jouent le rôle de prismes : elles réfractent et réfléchissent la lumière solaire, produisant la dispersion. Le rouge apparaît en haut (angle ~42°) et le violet en bas (angle ~40°).
La lumière blanche entre dans le prisme et ressort séparée en ses composantes colorées du violet (plus dévié) au rouge (moins dévié).
Attention ! Un prisme analyse la lumière (dispersion) mais ne la filtre pas : toutes les longueurs d'onde sont transmises, juste séparées.
5Synthèse additive des couleurs
La synthèse additive consiste à superposer des lumières colorées pour produire d'autres couleurs. Elle est utilisée dans les écrans (télévision, smartphones, moniteurs).
Couleurs primaires de la synthèse additive. Ce sont le Rouge, le Vert et le Bleu (RVB ou RGB). Chaque pixel d'un écran est composé de ces trois sous-pixels.
| Mélange | Couleur obtenue |
|---|
| Rouge + Vert | Jaune |
| Vert + Bleu | Cyan |
| Rouge + Bleu | Magenta |
| Rouge + Vert + Bleu | Blanc |
| Aucune lumière | Noir |
Exemple : la télévision. Un pixel blanc est produit en allumant les trois sous-pixels (R, V, B) à leur intensité maximale. Un pixel éteint (aucune lumière) donne du noir.
Astuce mémoire. Jaune, Cyan et Magenta sont les couleurs complémentaires respectives du Bleu, du Rouge et du Vert : chaque paire de complémentaires donne du blanc en synthèse additive.
6Synthèse soustractive des couleurs
La synthèse soustractive consiste à superposer des filtres ou des pigments qui absorbent chacun certaines radiations. Elle est utilisée en impression (encres, peintures, aquarelles).
Couleurs primaires de la synthèse soustractive. Ce sont le Cyan, le Magenta et le Jaune (CMJ). Chaque encre absorbe la couleur primaire additive complémentaire.
| Mélange de pigments/filtres | Couleur obtenue |
|---|
| Cyan + Magenta | Bleu |
| Cyan + Jaune | Vert |
| Magenta + Jaune | Rouge |
| Cyan + Magenta + Jaune | Noir (théoriquement) |
Attention ! En synthèse additive, superposer toutes les couleurs primaires donne du blanc. En synthèse soustractive, superposer toutes les couleurs primaires donne du noir (toutes les radiations sont absorbées).
Exemple : l'impression jet d'encre (CMJN). Les imprimantes utilisent quatre encres : Cyan, Magenta, Jaune et Noir. Le noir est ajouté séparément car le mélange CMJ donne un noir imparfait.
7Absorption et transmission par les filtres colorés
Un filtre coloré est un objet transparent qui transmet certaines radiations et en absorbe d'autres.
Règle du filtre. Un filtre de couleur $C$ transmet les radiations de cette couleur (et les voisines) et absorbe les radiations complémentaires.
Si l'on place deux filtres en série :
- Seules les radiations transmises par les deux filtres à la fois passent.
- Si les filtres sont de couleurs complémentaires, aucune radiation ne passe : on obtient l'obscurité.
Exemple 1. Lumière blanche → filtre rouge : seul le rouge (≈ 620 – 780 nm) passe. Le bleu et le vert sont absorbés.
Exemple 2. Lumière blanche → filtre rouge → filtre vert : le filtre vert absorbe le rouge. Aucune radiation ne passe : l'œil voit du noir.
Astuce. Pour prévoir ce qui passe, listez les radiations transmises par chaque filtre puis prenez l'intersection.
8Couleur des objets et spectres d'émission/d'absorption
La couleur apparente d'un objet dépend des radiations qu'il réfléchit vers l'œil.
- Un objet blanc réfléchit toutes les radiations visibles.
- Un objet noir les absorbe toutes.
- Un objet rouge réfléchit le rouge et absorbe les autres couleurs.
Attention ! La couleur d'un objet dépend de la lumière incidente. Un objet rouge éclairé en lumière verte paraît noir (il absorbe le vert et ne réfléchit rien).
Spectres d'émission et d'absorption.
• Un spectre d'émission est l'ensemble des radiations émises par une source (raies brillantes sur fond noir pour un gaz, spectre continu pour un solide incandescent).
• Un spectre d'absorption présente des raies sombres sur fond continu, correspondant aux radiations absorbées par un gaz traversé.
Les spectres permettent d'identifier les éléments chimiques présents dans une source lumineuse ou dans une atmosphère (ex. : analyse de la lumière solaire → raies de Fraunhofer → identification des éléments de l'atmosphère solaire).
Flashcards récapitulatives : retournez les cartes pour revoir les notions clés du chapitre.
★À retenir
En bref :
• La lumière blanche est la superposition de toutes les radiations du spectre visible (380 – 780 nm).
• La couleur d'une radiation est caractérisée par sa longueur d'onde $\lambda$ dans le vide : $c = \lambda f$.
• Loi de Snell-Descartes : $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$.
• La dispersion sépare la lumière blanche par le prisme car l'indice $n$ varie avec $\lambda$ (violet le plus dévié).
• Synthèse additive (lumières) : Rouge + Vert + Bleu → blanc ; complémentaires → blanc.
• Synthèse soustractive (filtres/pigments) : Cyan + Magenta + Jaune → noir.
• Un filtre transmet sa propre couleur et absorbe la complémentaire.
• La couleur d'un objet = radiations qu'il réfléchit vers l'œil.