Collège · 5ᵉ · Physique
Lumière et optique géométrique
Réflexion, réfraction, lentilles et formation d'images
À propos de cette page
Ce cours de physique en cinquième sur « Lumière et optique géométrique » suit le programme officiel de physique de cinquième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Sources de lumière et objets diffusants, La propagation rectiligne de la lumière, Ombres, pénombre et éclipses, La réflexion sur un miroir. 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 cinquième à réussir en physique.
1
Sources de lumière et objets diffusants
Définitions. Une source primaire produit elle-même la lumière qu'elle émet (Soleil, flamme, lampe, écran allumé, étoile). Un objet diffusant ne produit aucune lumière : il renvoie dans toutes les directions celle qu'il reçoit (Lune, mur, page de ce cours, planète).
Attention ! La Lune n'est pas une source primaire : elle diffuse la lumière du Soleil. De même, une planète ne brille que parce qu'elle est éclairée ; une étoile, elle, est une source primaire.
Condition de vision. Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de cet objet entre dans l'œil. Dans le noir complet, aucun objet diffusant n'est visible.
2
La propagation rectiligne de la lumière
Règle. Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. On modélise son trajet par un rayon lumineux, représenté par une droite fléchée indiquant le sens de propagation.
Exemple. Les rayons du Soleil qui traversent la poussière d'une pièce, ou le faisceau d'un laser dans un brouillard léger, rendent cette propagation rectiligne visible.
Attention ! Les deux conditions comptent. Si le milieu n'est pas homogène — air chaud au-dessus d'une route, couches d'atmosphère de densités différentes — la lumière ne suit plus une ligne droite : c'est ce qui produit les mirages.
3
Ombres, pénombre et éclipses
Vocabulaire. L'ombre propre est la partie non éclairée de l'objet lui-même. Le cône d'ombre est l'espace situé derrière lui où la lumière ne parvient pas. L'ombre portée est la zone sombre dessinée sur un écran.
Pénombre. Avec une source ponctuelle, l'ombre portée a des contours nets. Avec une source étendue, une zone intermédiaire partiellement éclairée apparaît autour de l'ombre : c'est la pénombre.
| Éclipse | Alignement | Ce qui est dans l'ombre |
|---|---|---|
| de Soleil | Soleil – Lune – Terre | une zone de la Terre |
| de Lune | Soleil – Terre – Lune | la Lune, dans l'ombre de la Terre |
Astuce. Pour ne pas confondre : lors d'une éclipse de Soleil, c'est le Soleil qu'on ne voit plus, donc la Lune est passée devant.
4
La réflexion sur un miroir
Lois de la réflexion. Le rayon réfléchi appartient au plan d'incidence (défini par le rayon incident et la normale au miroir), et l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : $$\hat{r} = \hat{i}$$ Ces angles se mesurent toujours par rapport à la normale, la perpendiculaire au miroir au point d'incidence.
Exemple. 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.
Attention ! L'angle d'incidence ne se mesure jamais par rapport à la surface du miroir. Un rayon faisant $20°$ avec le miroir fait $70°$ avec la normale : c'est cette dernière valeur qui compte, et le rayon repart donc à $70°$.
5
La réfraction d'un milieu à l'autre
Définition. La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux lorsqu'il passe d'un milieu transparent à un autre (air → eau, air → verre).
Exemple. En passant de l'air dans l'eau, le rayon réfracté se rapproche de la normale. C'est ce qui donne l'impression qu'un bâton plongé dans l'eau est brisé, ou qu'une piscine est moins profonde qu'elle ne l'est réellement.
| Phénomène | Ce qui se passe | Le rayon change-t-il de direction ? |
|---|---|---|
| Réflexion | le rayon repart dans le premier milieu | oui, avec $\hat{r} = \hat{i}$ |
| Réfraction | le rayon entre dans le second milieu | oui, sauf s'il arrive perpendiculairement |
| Diffusion | le rayon est renvoyé dans toutes les directions | sans direction privilégiée |
Attention ! Un rayon qui arrive perpendiculairement à la surface de séparation (angle d'incidence nul) n'est pas dévié : il traverse en ligne droite.
6
La lumière blanche et son spectre
Définition. La lumière blanche n'est pas une lumière « simple » : c'est la superposition de radiations colorées. Un prisme les sépare et donne un spectre continu, du rouge au violet.
Exemple. L'arc-en-ciel est un spectre naturel : les gouttes d'eau en suspension jouent le rôle du prisme en réfractant puis en réfléchissant la lumière du Soleil.
Lumière monochromatique. Une lumière monochromatique (par exemple celle d'un laser rouge) ne contient qu'une seule radiation : un prisme ne la décompose pas.
7
Les lentilles convergentes et la formation d'images
Définition. Une lentille convergente a les bords minces et le centre épais. Elle fait converger en un point les rayons qui lui arrivent parallèlement à son axe : ce point est le foyer image $F'$. La distance entre le centre de la lentille et $F'$ est la distance focale $f'$, en mètres.
| Lentille | Forme | Effet sur un faisceau parallèle |
|---|---|---|
| convergente | bords minces | les rayons se rejoignent en $F'$ |
| divergente | bords épais | les rayons s'écartent |
Exemple. Un objet placé au-delà du foyer d'une lentille convergente donne, sur un écran, une image réelle et renversée. C'est le principe de l'appareil photo et de l'œil : le cristallin est la lentille, la rétine est l'écran.
Astuce. La loupe est une lentille convergente utilisée autrement : l'objet est placé entre la lentille et son foyer, ce qui donne une image agrandie et droite, que l'on observe à travers la lentille — elle ne peut pas être recueillie sur un écran.
8
La vitesse de la lumière et l'année-lumière
À connaître. Dans le vide, la lumière se propage à $c = 300\,000$ km/s, soit $3{,}00 \times 10^{8}$ m/s. C'est la plus grande vitesse possible dans l'Univers. Contrairement au son, la lumière traverse le vide.
Année-lumière. Une année-lumière (a.l.) est une distance, et non une durée : c'est la distance parcourue par la lumière en un an, soit environ $9\,461$ milliards de km.
| Trajet | Distance | Durée du trajet de la lumière |
|---|---|---|
| Lune → Terre | $384\,400$ km | environ $1{,}3$ s |
| Soleil → Terre | $150$ millions de km | $500$ s, soit $8$ min $20$ s |
| Proxima du Centaure → Terre | $4{,}2$ a.l. | $4{,}2$ ans |
Attention ! Dire « l'étoile est à $4{,}2$ années-lumière » signifie qu'elle est très loin, pas qu'on la verra dans $4{,}2$ ans. En revanche, la lumière qu'on en reçoit aujourd'hui a bien été émise il y a $4{,}2$ ans : regarder loin, c'est regarder dans le passé.
En bref
- Source primaire : produit sa lumière. Objet diffusant : renvoie celle qu'il reçoit (la Lune, un mur).
- Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite.
- Source ponctuelle ⇒ ombre nette ; source étendue ⇒ ombre et pénombre.
- Réflexion : $\hat{r} = \hat{i}$, angles mesurés par rapport à la normale.
- Réfraction : changement de direction au passage d'un milieu à un autre ; pas de déviation sous incidence perpendiculaire.
- La lumière blanche se décompose en un spectre continu du rouge au violet ; une lumière monochromatique ne se décompose pas.
- Lentille convergente : bords minces, foyer $F'$, distance focale $f'$ ; image réelle et renversée sur un écran.
- $c = 300\,000$ km/s $= 3{,}00 \times 10^{8}$ m/s ; l'année-lumière est une distance.
Bloqué sur ce chapitre ?
Cours particuliers de physique à Marseille, en présentiel ou à distance — un prof qui s'adapte à ton rythme et reprend ce qui coince.
Prof de physique-chimie à Marseille · Cours particuliers au collège · Aide aux devoirs