Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie
Lumière et couleurs
Dispersion, spectre lumineux, absorption et synthèse des couleurs — programme de Spécialité Physique-Chimie 1re (thème Ondes et signaux)
À propos de cette page
La 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.
Isaac Newton montre dès 1666 qu'un prisme décompose la lumière blanche en un spectre de couleurs continues, appelé spectre de la lumière blanche.
Longueurs d'onde approximatives des principales couleurs du spectre visible.
Longueur 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 |
$f = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{5{,}30 \times 10^{-7}} \approx 5{,}66 \times 10^{14}\,\text{Hz}$
Réfraction 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.
$$n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$$
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 ($\theta_2 < \theta_1$).
$\sin \theta_2 = \dfrac{n_1 \sin \theta_1}{n_2} = \dfrac{1{,}00 \times \sin 30°}{1{,}50} = \dfrac{0{,}50}{1{,}50} \approx 0{,}333 \Rightarrow \theta_2 \approx 19{,}5°$
Dispersion 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.
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.
La lumière blanche entre dans le prisme et ressort séparée en ses composantes colorées du violet (plus dévié) au rouge (moins dévié).
Synthèse 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).
| Mélange | Couleur obtenue |
|---|---|
| Rouge + Vert | Jaune |
| Vert + Bleu | Cyan |
| Rouge + Bleu | Magenta |
| Rouge + Vert + Bleu | Blanc |
| Aucune lumière | Noir |
Synthèse 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).
| Mélange de pigments/filtres | Couleur obtenue |
|---|---|
| Cyan + Magenta | Bleu |
| Cyan + Jaune | Vert |
| Magenta + Jaune | Rouge |
| Cyan + Magenta + Jaune | Noir (théoriquement) |
Absorption et transmission par les filtres colorés
Un filtre coloré est un objet transparent qui transmet certaines radiations et en absorbe d'autres.
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.
Couleur 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.
• 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.
- 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.
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