Ressources · 5ᵉ · Physique
Lumière : sources, propagation et vitesse
Rappels de 6e (sources de lumière, transparent, translucide, opaque, ombre propre et ombre portée) ; source primaire et objet diffusant, condition pour voir un objet ; propagation rectiligne, rayon lumineux et réflexion sur un miroir ; ombre, pénombre, éclipses de Soleil et de Lune ; vitesse de la lumière et année-lumière.
À propos de cette page
Sources primaires, objets diffusants et vision
Une lampe torche, la Lune, une page de livre : on les voit toutes, mais elles ne jouent pas le même rôle. Ce cas reprend ce que tu as vu en 6e et explique enfin comment on voit un objet.
• Un objet diffusant (en 6e : un objet éclairé) ne produit pas de lumière : il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu’il reçoit. C’est le cas de presque tout ce qui nous entoure : la Lune, les planètes, un mur, une page, un visage.
• Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de cet objet entre dans l’œil. Une source primaire envoie directement sa lumière vers l’œil ; un objet diffusant doit d’abord être éclairé : source → objet diffusant → œil.
• L’œil est un récepteur : il reçoit la lumière, il n’en envoie pas. Dans le noir complet, aucun objet diffusant n’est visible.
• Rappel de 6e : un objet est transparent (la lumière passe et on voit nettement à travers), translucide (la lumière passe, mais on ne distingue pas les formes) ou opaque (la lumière ne passe pas).
Le trajet de la lumière jusqu’à l’œil
Nora lit un livre à la lumière d’une lampe. La lampe, source primaire, envoie de la lumière sur le livre ; le livre, objet diffusant, en renvoie une partie dans toutes les directions ; une petite partie de cette lumière entre dans l’œil de Nora : elle voit le livre. Sur un schéma, chaque flèche suit le sens de la lumière : de la source vers l’objet, puis de l’objet vers l’œil.
| Sources primaires (produisent la lumière) | Objets diffusants (renvoient la lumière reçue) |
|---|---|
| le Soleil et les autres étoiles | la Lune et les planètes |
| une flamme, un feu de cheminée | un mur, une page, un vêtement |
| une lampe allumée, un écran allumé | un visage, un arbre, la chaussée |
Station spatiale. Le soir, on voit parfois passer la Station spatiale internationale, un point brillant qui traverse le ciel en quelques minutes. Elle ne produit pas de lumière : à environ 400 km d’altitude, elle est encore éclairée par le Soleil, couché pour nous, et elle en renvoie une partie vers la Terre. C’est un objet diffusant.
Trajet de la lumière. Dans la cuisine, Adam voit une pomme éclairée par le plafonnier : plafonnier → pomme → œil d’Adam. Si l’on éteint, la pomme ne reçoit plus de lumière, elle n’en renvoie plus : Adam ne la voit plus.
Source vue directement. Quand Adam lève les yeux vers le plafonnier allumé, la lumière va directement de la source à son œil : plafonnier → œil.
Réflexe — je suis la lumière dans son sens : elle part d’une source primaire, est éventuellement renvoyée par un objet diffusant, et finit dans l’œil.
Attention — l’œil n’envoie rien : sur un schéma, aucune flèche ne part de l’œil. Et « briller » ne veut pas dire « produire de la lumière » : la Lune brille, mais c’est un objet diffusant.
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Propagation rectiligne, rayon lumineux et réflexion
Pourquoi ne voit-on pas derrière un mur ? Pourquoi un miroir renvoie-t-il un rayon dans une direction précise ? Tout vient de la façon dont la lumière se propage.
• On la représente par un rayon lumineux : une droite munie d’une flèche qui indique le sens de propagation. Un faisceau est un ensemble de rayons (large pour une lampe torche, très fin pour un laser).
• On ne voit pas la lumière « passer » : on voit le trajet d’un faisceau seulement si de fines particules (poussière, fumée, gouttelettes) en diffusent une partie vers l’œil.
• Sur un miroir, la lumière est réfléchie dans une seule direction. On trace la normale, perpendiculaire au miroir au point où arrive le rayon : l’angle de réflexion r est égal à l’angle d’incidence i, tous deux mesurés par rapport à la normale.
• Un laser ne se dirige jamais vers les yeux de quelqu’un : son faisceau concentré peut éblouir et même brûler la rétine.
Mettre en évidence la propagation rectiligne
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si la lumière va en ligne droite, je ne verrai la lampe que si les trous des trois cartons sont alignés avec elle ». Je teste : je place trois cartons percés entre une lampe et mon œil, puis je décale l’un d’eux. J’observe : la lampe n’est visible que lorsque les trois trous sont sur une même droite. Je conclus : dans l’air, la lumière se propage en ligne droite.
Les deux conditions comptent. Au-dessus d’une route brûlante, en été, l’air chaud près du sol et l’air plus frais au-dessus forment un milieu qui n’est pas homogène : la lumière venant du ciel est courbée vers le haut, et l’on croit voir une flaque sur la route. C’est un mirage.
La réflexion sur un miroir plan
Le rayon qui arrive sur le miroir est le rayon incident ; celui qui repart est le rayon réfléchi. Ils sont de part et d’autre de la normale, qui partage l’angle entre eux en deux angles égaux : i = r. Un rayon qui arrive le long de la normale (i = 0°) repart sur lui-même.
Angle d’incidence. Un rayon arrive sur un miroir avec un angle d’incidence de 35° : il repart avec un angle de réflexion de 35°, de l’autre côté de la normale.
Angle lu sur le miroir. Un rayon fait 20° avec la surface du miroir : son angle d’incidence vaut 90° − 20° = 70°, et il repart à 70° de la normale.
Faisceaux visibles. Pendant un concert, on voit le trajet des faisceaux des projecteurs parce que la fumée de scène en diffuse un peu vers le public. Ces trajets sont bien droits.
Réflexe — un angle d’optique se mesure toujours depuis la normale ; si l’on me donne l’angle avec le miroir, je fais 90° moins cet angle.
Attention — l’angle d’incidence ne se mesure jamais à partir de la surface du miroir. Et un miroir n’est pas une source : il renvoie la lumière qu’il reçoit, dans une seule direction, quand un objet diffusant la renvoie dans toutes.
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Ombres, pénombre et éclipses
En 6e, tu as vu l’ombre propre et l’ombre portée. Avec le modèle du rayon lumineux, on comprend pourquoi certaines ombres sont floues… et ce qui se passe pendant une éclipse.
• Les rayons qui partent de la source et frôlent les bords de l’objet limitent le cône d’ombre : l’espace derrière l’objet où la lumière n’arrive pas. L’ombre portée est la trace de ce cône sur l’écran.
• Avec une source ponctuelle (très petite), l’ombre portée a des bords nets. Avec une source étendue (large), une zone partiellement éclairée l’entoure : la pénombre. Depuis la pénombre, on ne voit qu’une partie de la source.
• Éclipse de Soleil : la Lune passe entre le Soleil et la Terre (Soleil – Lune – Terre), à la nouvelle lune. Là où tombe l’ombre de la Lune, l’éclipse est totale ; dans sa pénombre, elle est partielle.
• Éclipse de Lune : la Terre est entre le Soleil et la Lune (Soleil – Terre – Lune), à la pleine lune : la Lune entre dans le cône d’ombre de la Terre.
Ombre nette ou pénombre ?
Avec le panneau lumineux, un point au milieu de l’écran ne voit aucune partie du panneau : il est dans l’ombre. Un peu plus haut, la balle ne cache plus que le bas du panneau : le point reçoit un peu de lumière, il est dans la pénombre. Plus haut encore, il voit tout le panneau : la zone est éclairée.
Les éclipses
| Éclipse | Alignement | Phase de la Lune | Ce qui est dans l’ombre |
|---|---|---|---|
| de Soleil | Soleil – Lune – Terre | nouvelle lune | une petite région de la Terre, dans l’ombre de la Lune |
| de Lune | Soleil – Terre – Lune | pleine lune | la Lune, dans l’ombre de la Terre |
Vus de la Terre, le Soleil et la Lune paraissent presque de la même taille : le Soleil est environ 400 fois plus grand que la Lune, mais aussi presque 400 fois plus loin. C’est pourquoi la Lune peut le cacher tout entier. L’ombre de la Lune ne couvre qu’une bande étroite de la Terre, qui se déplace : l’éclipse totale de Soleil n’est visible que là, quelques minutes au plus ; autour, dans la pénombre, on voit une éclipse partielle. Une éclipse de Lune, elle, est visible de toute la moitié de la Terre où il fait nuit ; la Lune, assombrie, prend souvent une teinte rougeâtre, car l’atmosphère de la Terre dévie un peu de lumière du Soleil vers elle.
Il n’y a pas d’éclipse à chaque nouvelle lune ni à chaque pleine lune : l’orbite de la Lune est inclinée d’environ 5° sur celle de la Terre, et la plupart des mois les trois astres ne sont pas exactement alignés.
Sécurité. On ne regarde jamais le Soleil en face, même pendant une éclipse partielle, ni avec des lunettes de soleil : seules des lunettes spéciales pour éclipse (norme ISO 12312-2) protègent les yeux. Sinon, la rétine peut être brûlée, sans douleur sur le moment.
Éclipse du 12 août 2026. Ce jour-là, l’ombre de la Lune a traversé le nord de l’Espagne : l’éclipse de Soleil y était totale. En France, dans la pénombre de la Lune, elle n’était que partielle : la Lune cachait la plus grande partie du Soleil, sans le masquer en entier.
Source étendue. Dans une salle éclairée par un grand plafonnier rectangulaire, l’ombre d’une chaise sur le sol est entourée d’une large pénombre : le plafonnier est une source étendue.
Phase ou éclipse ? Un soir de premier quartier, une moitié de la Lune est sombre : ce n’est pas une éclipse, c’est une phase (vue en 6e) ; on ne voit qu’une partie de sa moitié éclairée. Lors d’une éclipse de Lune, c’est l’ombre de la Terre qui l’assombrit, et seulement à la pleine lune.
Réflexe — pour une ombre, je trace depuis chaque bord de la source les rayons qui frôlent l’objet ; pour une éclipse, je cherche l’astre du milieu : c’est lui qui fait de l’ombre au troisième.
Attention — lors d’une éclipse « de Soleil », c’est le Soleil qu’on ne voit plus : la Lune est passée devant. Et les phases de la Lune ne sont pas des éclipses.
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Vitesse de la lumière et année-lumière
Quand on allume une lampe, la pièce paraît éclairée instantanément. La lumière met pourtant du temps à voyager, et sur les distances de l’espace, ce temps devient très long.
• Dans le vide, la vitesse de la lumière vaut environ 300 000 km/s (exactement 299 792 458 m/s) ; dans l’air, elle est presque la même. C’est la plus grande vitesse possible. Les ondes radio (téléphone, GPS, sondes spatiales) vont à la même vitesse.
• De v = d ÷ t (chapitre « Mouvement »), on tire la distance d = v × t et la durée t = d ÷ v, avec d en km, t en s et v = 300 000 km/s.
• Une année-lumière (a.l.) est une distance : celle que parcourt la lumière dans le vide en un an, environ 9 460 milliards de km.
• Regarder loin, c’est regarder dans le passé : la lumière d’une étoile située à 4,2 a.l. est partie il y a 4,2 ans.
Combien de temps met la lumière ?
| Trajet | Distance | Durée du trajet de la lumière |
|---|---|---|
| Lune → Terre | environ 384 400 km | environ 1,3 s |
| Soleil → Terre | environ 150 millions de km | 150 000 000 ÷ 300 000 = 500 s, soit 8 min 20 s |
| Proxima du Centaure → Terre | 4,2 a.l. (l’étoile la plus proche après le Soleil) | 4,2 ans |
Mesurer une distance avec la lumière
Depuis 1969, des réflecteurs déposés sur la Lune par les missions Apollo et Lunokhod renvoient les éclairs laser tirés depuis la Terre, par exemple depuis l’observatoire de la Côte d’Azur, sur le plateau de Calern. On mesure la durée de l’aller-retour, environ 2,56 s : l’aller dure 2,56 ÷ 2 = 1,28 s, donc la Lune est à environ 300 000 × 1,28 = 384 000 km.
Distance. En 2 s, la lumière parcourt d = 300 000 × 2 = 600 000 km : plus que la distance de la Terre à la Lune.
Durée. Une sonde est à 45 millions de km de la Terre : un signal radio met t = 45 000 000 ÷ 300 000 = 150 s pour l’atteindre, soit 2 min 30 s.
Année-lumière. Proxima du Centaure est à 4,2 a.l., soit environ 4,2 × 9 460 ≈ 39 700 milliards de km.
Réflexe — je mets la distance en km et la durée en s, puis d = v × t ou t = d ÷ v avec v = 300 000 km/s ; je convertis à la fin en minutes et secondes.
Attention — une année-lumière est une distance, pas une durée : « à 4,2 années-lumière » ne veut pas dire qu’on verra l’étoile dans 4,2 ans. Et pour un aller-retour, la lumière parcourt deux fois la distance.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles ont été vues en 6e ou se verront plus tard.
- Jour, nuit, phases de la Lune et saisons. Le Soleil éclaire toujours une moitié de la Terre et une moitié de la Lune : jour et nuit, phases (nouvelle lune, premier quartier, pleine lune, dernier quartier) et saisons sont expliqués dans le chapitre de 6e « Lumière : ombres, jour et nuit, saisons ».
- Le son. Pendant un orage, on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre : le son va bien moins vite que la lumière (environ 340 m/s dans l’air) et ne traverse pas le vide. Voir « Son : vibration, propagation et vitesse ».
- Vitesse de la lumière en 4e. Avec les puissances de dix, on écrira c = 3 × 108 m/s, et l’on reverra l’année-lumière et les distances de l’Univers : « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière ».
- Lumière blanche et spectre (3e). Un prisme décompose la lumière blanche en couleurs, du rouge au violet ; l’arc-en-ciel en est un exemple : « Lumière : spectre, infrarouge et ultraviolet ».
- Réfraction et lentilles (2de). En passant de l’eau à l’air, la lumière change de direction (un bâton plongé dans l’eau semble brisé) ; les lentilles, la loupe et l’œil s’étudient au lycée : « Lumière : propagation, réfraction et dispersion » et « Vision et image ».
- Une source primaire produit sa lumière ; un objet diffusant renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu’il reçoit. On voit un objet quand de la lumière venant de lui entre dans l’œil : source → objet → œil.
- Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite ; on la représente par un rayon lumineux (droite fléchée).
- Miroir : angle de réflexion = angle d’incidence, mesurés par rapport à la normale (perpendiculaire au miroir).
- Source ponctuelle : ombre nette ; source étendue : pénombre autour de l’ombre. Éclipse de Soleil : Soleil – Lune – Terre (nouvelle lune) ; éclipse de Lune : Soleil – Terre – Lune (pleine lune).
- Dans le vide, la lumière va à environ 300 000 km/s : d = v × t, t = d ÷ v. Une année-lumière est une distance, environ 9 460 milliards de km.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une source primaire et un objet diffusant ?
Une source primaire produit sa propre lumière : le Soleil, une flamme, une lampe allumée. Un objet diffusant ne produit pas de lumière : il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu’il reçoit, comme la Lune, un mur ou une page. Dans le noir complet, un objet diffusant devient invisible.
Comment voit-on un objet ?
On voit un objet quand de la lumière venant de lui entre dans l’œil. Pour un objet diffusant, la lumière part d’une source, est renvoyée par l’objet, puis entre dans l’œil : source → objet → œil. L’œil reçoit la lumière, il n’en envoie pas.
Comment la lumière se propage-t-elle ?
Dans un milieu transparent et homogène (vide, air, eau, verre), la lumière se propage en ligne droite ; on la représente par un rayon lumineux, une droite fléchée. Sur un miroir, elle est réfléchie : l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence, tous deux mesurés par rapport à la normale.
Quelle est la différence entre une éclipse de Soleil et une éclipse de Lune ?
Lors d’une éclipse de Soleil, la Lune passe entre le Soleil et la Terre et son ombre tombe sur une petite région de la Terre (à la nouvelle lune). Lors d’une éclipse de Lune, la Terre est entre le Soleil et la Lune, qui passe dans l’ombre de la Terre (à la pleine lune).
Qu’est-ce qu’une année-lumière ?
C’est une distance : celle que parcourt la lumière dans le vide en un an, à environ 300 000 km/s, soit environ 9 460 milliards de km. Une étoile à 4,2 années-lumière nous envoie une lumière partie il y a 4,2 ans : regarder loin, c’est regarder dans le passé.
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