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 : La lumière : sources et propagation rectiligne, La vitesse de la lumière, Les ombres : ombre propre et ombre portée, La réflexion de la lumière. 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.
Au programme
1 · La lumière : sources et propagation rectiligne
2 · La vitesse de la lumière
3 · Les ombres : ombre propre et ombre portée
4 · La réflexion de la lumière
5 · La réfraction de la lumière
6 · Les lentilles convergentes et divergentes
7 · Formation d'images par une lentille convergente
8 · La décomposition de la lumière blanche
1La lumière : sources et propagation rectiligne
La lumière est une forme d'énergie qui se propage dans l'espace et permet la vision. On distingue deux types de sources lumineuses :
- Sources primaires (ou sources propres) : elles produisent leur propre lumière. Exemples : le Soleil, une flamme, une ampoule allumée, les étoiles.
- Sources secondaires (ou objets diffusants) : elles renvoient la lumière qu'elles reçoivent d'une source primaire. Exemples : la Lune, une table, une feuille de papier.
Loi de propagation rectiligne. Dans un milieu transparent et homogène (air, eau pure, verre), la lumière se propage en ligne droite. On modélise cette propagation par un rayon lumineux, représenté par une droite orientée dans le sens de propagation.
La propagation rectiligne explique pourquoi on ne peut pas voir « derrière un coin » et justifie l'existence des ombres.
Exemple. Si tu regardes une lampe de poche allumée dans une pièce sombre, le faisceau lumineux visible dans la poussière est bien une droite.
2La vitesse de la lumière
La lumière se propage à une vitesse finie, très grande mais mesurable.
Vitesse de la lumière dans le vide. c = 300 000 km/s (soit 3 × 108 m/s). C'est la vitesse la plus grande qui existe dans l'Univers.
Dans d'autres milieux transparents (eau, verre), la lumière se propage plus lentement que dans le vide. C'est ce ralentissement qui est à l'origine du phénomène de réfraction.
| Milieu | Vitesse approximative |
|---|
| Vide (et air) | 300 000 km/s |
| Eau | 225 000 km/s |
| Verre | 200 000 km/s |
Astuce. La lumière du Soleil met environ 8 minutes pour atteindre la Terre, car la distance Terre-Soleil est d'environ 150 millions de km. On dit que le Soleil est à 8 minutes-lumière.
L'année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an (environ 9 461 milliards de km). C'est une distance, pas une durée !
3Les ombres : ombre propre et ombre portée
Lorsqu'un objet opaque est placé devant une source lumineuse, il bloque les rayons et crée des zones d'obscurité.
Ombre propre. Zone sombre sur l'objet lui-même, là où la lumière n'atteint pas.
Ombre portée. Zone sombre projetée par l'objet sur un écran ou le sol.
La taille et la forme de l'ombre portée dépendent :
- De la taille de la source : une source ponctuelle donne une ombre nette ; une source étendue donne une ombre avec une zone de pénombre.
- De la distance entre l'objet et l'écran.
Pénombre. Zone intermédiaire entre l'ombre et la lumière totale, où la source n'est que partiellement cachée par l'objet. On l'observe avec une source étendue.
Exemple. Les éclipses de Soleil et de Lune s'expliquent par les ombres et pénombres de la Terre et de la Lune.
Attention ! Avec une source ponctuelle, il n'y a pas de pénombre : l'ombre est nette.
4La réflexion de la lumière
Quand un rayon lumineux frappe une surface, une partie revient en arrière : c'est la réflexion.
Lois de la réflexion (lois de Snell-Descartes pour la réflexion).
1. Le rayon incident, la normale à la surface au point d'incidence et le rayon réfléchi sont dans le même plan.
2. L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence : r = i.
Les angles i (incidence) et r (réflexion) se mesurent par rapport à la normale, c'est-à-dire la droite perpendiculaire à la surface au point d'incidence.
| Terme | Définition |
|---|
| Rayon incident | Rayon qui arrive sur la surface |
| Normale | Droite perpendiculaire à la surface au point de contact |
| Rayon réfléchi | Rayon qui repart après la réflexion |
| Angle d'incidence i | Angle entre le rayon incident et la normale |
| Angle de réflexion r | Angle entre le rayon réfléchi et la normale (r = i) |
Exemple. Un miroir plan renvoie la lumière de façon spéculaire : si i = 30°, alors r = 30°. On voit son reflet dans un miroir car la surface lisse réfléchit les rayons de façon ordonnée.
Astuce. La réflexion diffuse (sur une surface rugueuse) diffuse la lumière dans toutes les directions, ce qui permet de voir les objets depuis différents angles.
5La réfraction de la lumière
Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu transparent à un autre (par exemple de l'air à l'eau), sa direction change : c'est la réfraction.
Loi de la réfraction. Quand un rayon passe d'un milieu moins dense (air) à un milieu plus dense (eau, verre), il se rapproche de la normale (l'angle réfracté est plus petit que l'angle incident). C'est l'inverse dans l'autre sens.
La réfraction est due au changement de vitesse de la lumière d'un milieu à l'autre.
Exemple. Une cuillère dans un verre d'eau paraît « brisée » à la surface : c'est la réfraction qui dévie les rayons lumineux lorsqu'ils passent de l'eau à l'air vers notre œil.
| Passage | Angle réfracté vs incident |
|---|
| Air → Eau (ou verre) | Angle réfracté < angle incident (rayon se rapproche de la normale) |
| Eau → Air | Angle réfracté > angle incident (rayon s'éloigne de la normale) |
Attention ! Les angles de réfraction se mesurent toujours par rapport à la normale, pas par rapport à la surface.
Ce phénomène explique aussi les mirages dans le désert et la forme apparente des étoiles près de l'horizon.
6Les lentilles convergentes et divergentes
Une lentille est un objet transparent (verre, plastique) aux faces courbes qui dévie les rayons lumineux par réfraction.
Lentille convergente. Plus épaisse au centre qu'aux bords. Elle fait converger (rassembler) les rayons lumineux parallèles à son axe optique en un point appelé le foyer image F'.
Lentille divergente. Plus mince au centre qu'aux bords. Elle fait diverger (écarter) les rayons lumineux. On ne l'étudie pas en détail en 5e.
Distance focale f'. Distance entre le centre optique O de la lentille et le foyer image F'. Plus f' est court, plus la lentille est convergente (forte).
| Caractéristique | Lentille convergente | Lentille divergente |
|---|
| Forme | Plus épaisse au centre | Plus mince au centre |
| Effet sur les rayons | Rassemble | Écarte |
| Foyer image F' | Réel (de l'autre côté) | Virtuel (du même côté) |
Exemple. Une loupe est une lentille convergente. Les lunettes de vue des personnes myopes utilisent des lentilles divergentes ; les presbytes utilisent des lentilles convergentes.
7Formation d'images par une lentille convergente
Pour construire l'image A'B' d'un objet AB à travers une lentille convergente, on utilise trois rayons particuliers :
- Rayon 1 : parallèle à l'axe optique → ressort en passant par F' (foyer image).
- Rayon 2 : passe par le centre optique O → n'est pas dévié.
- Rayon 3 : passe par F (foyer objet) → ressort parallèle à l'axe optique.
L'image A'B' se forme à l'intersection des rayons sortants.
Image réelle. Se forme de l'autre côté de la lentille par rapport à l'objet. On peut la projeter sur un écran. Elle est renversée.
Image virtuelle. Se forme du même côté que l'objet (quand l'objet est entre F et la lentille). On ne peut pas la projeter. Elle est droite et agrandie — c'est le principe de la loupe.
| Position de l'objet | Nature de l'image | Sens | Taille |
|---|
| Au-delà de 2F | Réelle | Renversée | Réduite |
| En 2F | Réelle | Renversée | Même taille |
| Entre F et 2F | Réelle | Renversée | Agrandie |
| Entre F et O (loupe) | Virtuelle | Droite | Agrandie |
Astuce. Les appareils photo et le projecteur de cinéma utilisent des lentilles convergentes pour former une image réelle sur un capteur ou un écran.
8La décomposition de la lumière blanche
La lumière blanche (celle du Soleil ou d'une ampoule blanche) est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Elle peut être décomposée en ses couleurs constitutives.
Dispersion de la lumière. Séparation de la lumière blanche en ses différentes couleurs par un prisme ou une goutte d'eau. On obtient un spectre allant du violet au rouge : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, rouge.
La décomposition est due au fait que chaque couleur est réfractée différemment en traversant le prisme (le violet est plus dévié que le rouge).
Exemple. Un arc-en-ciel se forme quand les gouttes de pluie décomposent la lumière du Soleil, jouant le rôle de prismes.
Recomposition de la lumière blanche. On peut recombiner les couleurs du spectre pour retrouver de la lumière blanche (Newton y parvint avec deux prismes).
Attention ! Une surface colorée absorbe certaines longueurs d'onde et réfléchit d'autres. Un objet rouge absorbe toutes les couleurs sauf le rouge qu'il réfléchit.
La lumière visible est une onde électromagnétique dont la couleur dépend de sa longueur d'onde (entre environ 400 nm pour le violet et 700 nm pour le rouge).
★À retenir
En bref :
• La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène à 300 000 km/s dans le vide.
• Réflexion : angle de réflexion = angle d'incidence (r = i).
• Réfraction : la lumière change de direction en changeant de milieu transparent.
• Lentille convergente : plus épaisse au centre, rassemble les rayons au foyer F'.
• Image réelle (renversée, projetable) si l'objet est au-delà de F ; image virtuelle (droite, agrandie) si l'objet est entre F et la lentille.
• La lumière blanche se décompose en spectre coloré : violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge.